Разработка способа изготовления керамических форм и стержней замораживанием для литья ответственных деталей центробежных насосов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Глебов, Сергей Михайлович

• Глебов, Сергей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Глебов, Сергей Михайлович

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

2.1. Обзор технологических процессов.

2.2. Выбор перспективного метода формовки.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ОТВЕРЖДЕНИЯ ВОДНЫХ ВЯЖУЩИХ СУСПЕНЗИЙ ЗАМОРАЖИВАНИЕМ.

4.1. Обезвоживание и концентрирование.

4.2. Агрегация частиц.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЗАМЕРЗАНИЯ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФОЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ.

6.1. Прочность керамических форм.

6.2. Технологические свойства литейных форм.

7. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

7.1. Приготовление суспензии.

7.2. Подготовка модельной оснастки.

7.3. Заполнение оснастки суспензией и замораживание.

7.4. Термическая обработка.

8. ОПРОБОВАНИЕ В ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ПРИЗВОДСТВЕ.

9. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способа изготовления керамических форм и стержней замораживанием для литья ответственных деталей центробежных насосов»

Качество и надежность центробежных насосов в значительной степени определяются геометрической точностью и качеством поверхности проточной (необрабатываемой) части рабочих колес и направляющих аппаратов.

В зависимости от назначения насосов и их технических характеристик, рабочие колеса и направляющие аппараты изготавливают из различных литейных сплавов: чугуна различных марок; углеродистых и легированных сталей; цветных сплавов на алюминиевой и медной основе; титановых сплавов.

Для производства литых заготовок применяется широкая гамма технологических процессов. Это литье в разовые песчаные, гипсовые, керамические разъемные и неразъемные формы, литье в металлические формы. Проточные части литых заготовок выполняют стержнями из песчано-масляных и песчано-смоляных смесей холодного и горячего отверждения, керамическими стержнями изготовленными по постоянной оснастке холодным или горячим шликерным литьем.

При литье в разовые формы, до половины, а в некоторых случаях больше половины всей трудоемкости производства отливок приходится на, изготовление форм и стержней. Формовочные и стержневые процессы во многом определяют качество отливок и эффективность их производства, оказывают влияние на условия труда и окружающую среду.

У каждого процесса есть свои преимущества и недостатки, определяющие область его применения. В одних случаях приоритет отдается высокому качеству отливок в отношении размерной точности и шероховатости поверхности, в других - производительности и стоимости. Огнеупорность и физико-химические свойства материала форм и стержней регламентируют выбор литейных сплавов. Например, не являются редкостью ситуации, при которых в ущерб качеству литых заготовок решается вопрос серийности их производства или, когда высокое качество отливок при имеющейся производительности делает их стоимость не конкурентоспособной. Технология литья в гипсовые формы, обеспечивая высокое качество отливок из цветных сплавов, несовместима со стальным литьем.

Технологические процессы изготовления форм и стержней не редко характеризуются многооперационностью, сложностью технологических движений, нестабильностью временных параметров, трудностями в организации контроля и управления. Это приводит к усложнению конструкции и увеличению количества оборудования, затрудняет функционирование системы качества на производстве.

Обострение экологической обстановки в промышленных странах приводит к необходимости введения экономических рычагов в управление экологической безопасностью. Литейное производство относится к разряду опасных. Затраты предприятий на экологию (вывоз и захоронение отходов, очистку воздуха и сточных вод) стали заметно влиять на себестоимость продукции. И здесь основным источником отходов и выделений, представляющих опасность для окружающей среды следует считать формовочный и стержневой переделы.

Производство литых заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов выделяется своей спецификой. Наиболее характерные особенности:

- широкая номенклатура литейных сплавов, применяемых для литой заготовки в рамках одного чертежа;

- большое влияние геометрической сложности, преимущественно профиля лопастей, на технологический процесс изготовления отливки;

- повышенные требования к размерной точности и шероховатости поверхностей проточной части (внутренних полостей).

На сегодняшний день сложно выделить какой-либо технологический процесс, позволяющий эффективно производить отливки из легированной стали, серого чугуна и алюминиевых сплавов в рамках одного производства. Коренным образом может повлиять на технологический процесс небольшое изменение (изгиб) профиля лопастей. Переход от цилиндрического профиля лопастей, где проточная часть отливки может выполняться одним стержнем, к лопастям двоякой кривизны, где применяются наборные стержни, может создать условия при которых производство становится нерентабельным или невозможным.

Создание новых формовочных и стержневых процессов, как вариант комплексного решения вопросов эффективного производства высококачественных литых заготовок широкой номенклатуры из различных марок литейных сплавов с соблюдением современных норм экологической безопасности, актуально.

Целью настоящей работы являлось создание технологического процесса изготовления разовых форм и стержней для литья широкой номенклатуры заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов при различном характере производства, обеспечивающего высокое качество проточной части в отношении размерной точности и шероховатости поверхности, применение различных литейных сплавов и низкий уровень выделений в окружающую среду.

В результате, разработан и внедрен в опытно-экспериментальном производстве ЦНИИМ технологический процесс изготовления керамических форм и стержней замораживанием водных вяжущих суспензий для производства отливок из чугуна различных марок, углеродистых и легированных сталей, цветных сплавов, обеспечивающий размерную точность заготовок в пределах 4.7 классов по ГОСТ 26645-85 и шероховатость литой поверхности со значениями Яа в пределах 1,6.3,2мкм.

Используемые для производства форм и стержней основные и вспомогательные материалы не опасны для атмосферы цеха и окружающей среды.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Глебов, Сергей Михайлович

ВЫВОДЫ

1. Разработан технологический процесс изготовления керамических литейных форм и стержней методом замораживания водных вяжущих суспензий для литья широкой номенклатуры заготовок рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов, исследовано качество отливок в отношении размерной точности и шероховатости литой поверхности, даны рекомендации по его промышленному применению.

Процесс включает: приготовление водной вяжущей суспензии, заполнение суспензией охлаждаемой формообразующей оснастки, замораживание суспензии, извлечение замороженного полуфабриката, его сушку и обжиг, сборку форм и стержней перед заливкой.

2. Изучен механизм воздействия замораживания на водные вяжущие суспензии со структурообразующим гидрозолем двуокиси кремния. Установлены условия замораживания, обеспечивающие необратимость их отверждения. Водные вяжущие суспензии утрачивают способность к регидратации при оттаивании, если в процессе охлаждения обеспечивалось последовательное вымораживание свободной воды (дисперсной среды), сопровождающееся формированием структур коагуляционного типа, а затем вымораживание связанной воды (входящей в состав гидратных оболочек), сопровождающееся дегидратацией поверхности твердой фазы и образованием структур конденсационного типа.

3. Методом термического анализа и инженерными расчетами исследована кинетика формирования твердой корки при замораживании суспензий, определены временные характеристики процесса. Получены зависимости продолжительности затвердевания от температуры охлаждающей среды, от температуры заливки суспензий и их теплофизических характеристик.

Установлено, что замораживание суспензий целесообразно производить при температурах охлаждающей среды 220.250К, при этом продолжительность процесса не будет превышать 200с, а удельная тепловая нагрузка будет составлять 100. 150 кДж/кг.

4. Изучены основные физико-механические и технологические характеристики керамических форм и стержней. Установлены их зависимости от температур замораживания, термической обработки, качественного и количественного составов суспензий.

Замораживание суспензий с влажностью 20.25 % при температурах ниже 250К обеспечивает прочность керамики при изгибе во влажном (оттаянном) состоянии 0,09.0,12МПа, в сухом 0,8.1,0МПа. Обжиг форм и стержней при температурах 1070.1270К увеличивает прочность до 4.7МПа, при температурах 1420.1470К - до 30 МПа для кварцевой керамики и до 70МПа для керамики с корундом.

Для приготовления суспензий допускается использование в качестве структурообразующей основы гидрозоля двуокиси кремния с содержанием твердой фазы не менее10%.

Газопроницаемость керамических форм и стержней в пределах 3-10"

1050-Ю"10 м2/Па-с изменяется от содержания воды в суспензии, дисперсности огнеупорного материала и температуры замораживания (охлаждающей среды).

5. Исследованы качественный и количественный состав газов, выделяющихся из керамических форм и стержней в диапазоне температур 670.1170К. Установлено, что в состав выделяющегося газа входят Н20, СО и С02, а удельная газотворность составляет 14.170 мл/100г, что позволяет сделать вывод об экологической безопасности процесса.

6. Исследовано качество отливок, изготовленных на опытно-экспериментальном оборудовании с применением разработанного технологического процесса. Размерная точность отливок соответствует 4.7 классу по ГОСТ 26645-85. Чистота литой поверхности оценивается параметрами шероховатости в пределах 1,6.3,2мкм.

7. Создано и внедрено опытно-экспериментальное оборудование для получения керамических форм и стержней замораживанием, включающее: двухступенчатую фреоновую автоматическую холодильную машину с жидким промежуточным теплоносителем; устройство для изготовления керамических литейных форм; устройство для изготовления керамических стержней.

Определены конструктивные особенности модельной и стержневой оснастки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Глебов, Сергей Михайлович, 2008 год

1. Анализ работы автоматических и поточных формовочных линий/ Герасимов И.Я. Родин A.A. // Развитие методов и процессов образования литейных форм. М., Наука, 1977. -С. 119-124.

2. Recent Development in Greensand Molding Machines//Foundry Trade Journal.- 1985.- June.- P. 74-81.

3. Бурлаков В.И., Алексеев Н.Ю. Освоение новых технологий изготовления стержней и форм на ОАО «ЛеМАЗ» //Литейное производство.- 2002.- № 3.- С.11.

4. Кошкин Л.Н.Роторные и роторно-конвейерные линии// М., Машиностроение, 1986. -318с.

5. Волкевич Л.И. Парадоксы робототехники// Труд.- 5 апреля 1984.- № 27(2).- С.2.

6. Шкленник Я.И., Озеров В.А. Литье по выплавляемым моделям// М., Машиностроение, 1971.- 431с.

7. Степанов Ю.А., Баландин Г.Ф., Рыбин В.А. Технология литейного производства.//М., Машиностроение, 1985.- 285с.

8. Гуляев Б.Б. и др. Литье из тугоплавких металлов //Л., Машиностроение, 1964.- С.165.

9. Дошкарж И. Производство точных отливок// М., Машиностроение, 1979.-296с.

10. Степанов Ю.А. Технология литейного производства// М., Машиностроение, 1983.- С.5 65.

11. Рубцов Н.М. История литейного производства в СССР// М., Машгиз, 1972.-ч. 1.1. С.287.

12. Патент Японии № 56-80345, МКИ В22С 7/02, 9/02. Способ приготовления оболочковых форм по ледяным моделям.

13. Авт. свид. Способ изготовления замороженной модели/ Гребешков В.К., Кузнецов В.П., Овсянников В.Г.- № 1011325, МКИ В22С 7/02.

14. Авт. свид. Способ изготовления замороженных моделей/ Глебов С.М., Кузнецов В.П. -№ 1514458, МКИ В22С 7/02.

15. Изготовление литейных форм по ледяным моделям вакуумной формовкой/Глебов С.М., Кузнецов В.П. // Сб.ВОТ. Сер.16. ЦНИИИнформации- М.,1987.-Вып.162.- С. 20-24.

16. Степанов Ю.А., Гришин Д.С. Литье по газифицируемым моделям // М., Машиностроение, 1976.- 176с.

17. Патент Японии № 53-62731, МКИ В22С 9/02, 7/00. Способ изготовления форм для литья деталей сложной конфигурации.

18. Патент Японии № 52-5292, МКИ В22С 9/02, 7/00. Способ литья.

19. Evaporative Casting Process//Automotive Industries.- 1982.- №12.

20. Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства //Зарубежный опыт: ЭИ Технология литейного производства.-1985.-Сер. 3.- Вып. 7.- С.12.

21. Steven A. Weiner Evaporative Casting Process: Some Metallurgical Considerations// Metal Progress. -1982.- № 8,- V.122.- P. 21

22. Kohler P. G. Role of Evaporative Casting Process in the Flexible Manufacturing// Modem Casting. -1984.- № 9.- V. 74.- P. 31-33.

23. Ashton M.C.Brown Y.R. The Replicast process//The British Foundryman.-1982.- № 3.- V. 75.-P. 24.

24. Poulsen S. C. Developments in the Mechanisation of the Shaw -Process//Machinery.-17.01.1962,- P. 92.

25. Улучшение поверхности стальных матриц, изготавливаемых по керамическим стержням/ Оболенцев Ф.Д. // Повышение качества и надежности отливок из стали и жаропрочных сплавов.- Л.,ЛДНТП-1973.- С. 20.

26. Greenwood R. Unicast Ceramic Mold Process// La Fonderie Beige.- 1965.35.- S. 59.

27. Глинка Н.Л. Общая химия// Л., Химия, 1972.- С. 192-193.

28. Системно структурный метод анализа и синтеза способов формовки/ Беликов О.А. // Развитие методов и процессов образования литейных форм.- М., Наука, 1977.- С. 87-93.

29. Современное состояние и исследование формовочных процессов/ Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А. // Развитие методов и процессов образования литейных форм.- М., Наука, 1977.- С. 5-20

30. Авт. свид. Способ производства отливок/ Бондаревский B.C. № 59298, 1941г.

31. A. Pojak. Frozen moulds: new generation of foundry moulding sands//The British Foundryman.- 1982.- V. 75.- P. 23.

32. Kijosh K., Hareikj H., Masatake T. Characterica of Frozen Mold// Kinzoku.-1980.-№4.

33. Патент Японии № 56-154248, МКИ 1322C 9/02. Способ изготовления замороженных форм.

34. Патент Японии № 56-154249, МКИ 1322С 9/02, 27/04. Способ изготовления замороженных форм.

35. Грузман В.М. Копытов Г.Г. Прочность и теплофизические свойства замороженных песков.//Литейное производство.- 1975.- № 7.-С. 25.

36. Грузман В.М., Иконников В.Я., Синицын Е.Я. Исследование температурных полей замороженных форм//Литейное производство.-1975.-№5.-С. 21

37. Грузман В.М., Васин Ю.П., Василевский Ю.И. Ударное взаимодействие жидкой стали с поверхностью замороженной формы//Литейное производство.- 1977.-№ 8.-С. 24.38