Full Text

Для получения литых заготовок сложной пространственной конфигурации с минимальными припусками на механическую обработку (а в ряде случаев их отсутствием) наиболее предпочтительным представляется метод литья по выплавляемым моделям [1, 2]. Такой способ позволяет объединять отдельные детали в цельнолитые узлы, уменьшая массу и габаритные размеры литых заготовок с толщиной стенки до 1 мм, шероховатостью поверхности Ra до 1,25 мкм. Такие отливки должны соответствовать 11-16 квалитетам при допусках на размеры рабочей полости пресс-формы, не превышающих 8-9 квалитетов (согласно ГОСТ 25347-82. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки). В ряде случаев механическая обработка таких отливок не требуется [3]. Наряду с очевидными преимуществами такой процесс получения литых заготовок требует более значительных энергозатрат относительно других методов, длителен, включает большое количество операций и широкую номенклатуру используемых материалов. Последовательность технологических операций при осуществлении традиционного метода получения литья по выплавляемым моделям следующая: получение выплавляемых моделей (расплавление, запрессовка модельной массы в пресс-форму, охлаждение готовой модели и, если требуется, ее механическая доработка); получение модельного блока припаиванием выплавляемых моделей к элементам литниково-питающей системы. Затем изготавливают оболочковую форму последовательным нанесением и сушкой огнеупорных слоев на модельном блоке; выплавление моделей из оболочковой формы; помещение последней в опорный наполнитель, прокаливание и заливание формы расплавом. В литье по выплавляемым моделям суммарный брак всех технологических операций достигает 30 % и обусловливается деформационными и усадочными процессами, а также свойствами применяемых материалов [4]. Так, расширение моделей при их выплавлении из оболочковой формы, термообработка последних приводят к возникновению сколов и трещин, образующихся в результате температурных деформаций, связанных с неравномерностью прогрева, а также закипания включений модельной массы, поступившей во внутренние слои оболочковой формы на стадии выплавления из нее модельного блока [5]. При получении выплавляемой модели заливкой жидкого воскообразного материала в пресс-форму глубина усадочной раковины зависит от размеров теплового узла и в ряде случаев составляет 8-10 % от продольного размера изделия, выполненного из парафина, и 3-5 % для изделия из ПС 50/50. Сокращение суммарного влияния температурных напряжений в материале выплавляемых моделей и связанных с этим деформаций оболочковых форм возможно благодаря применению пористых выплавляемых моделей, получаемых холодным прессованием порошков воскообразных композиций [4-7]. Такой подход в получении выплавляемой модели позволяет сформировать ее структуру без усадочных дефектов, прогнозировать распределение напряжений по объему прессовки и обеспечивает управляемую разность значений плотности ее участков [8, 9]. Предпочтительно использовать прессованные выплавляемые модели с пористостью, соответствующей величине коэффициента линейно-термического расширения материала. Это позволяет компенсировать напряжения, вызванные температурным расширением материала прессовки при нагреве модельной массы и ее выплавлении из оболочковой формы, и не приводит к разрушению последней. Прессованные модели обладают повышенной размерно-геометрической точностью (на 1-2 квалитета выше, чем у традиционных выплавляемых моделей), регламентируемой размерами и шероховатостью формообразующей полости пресс-формы. На рис. 1 представлено сравнение поверхности традиционной (а) и прессованной пористой (б) выплавляемой модели. Видно, что выплавляемая модель, полученная заливкой жидкой воскообразной массы, имеет порок в виде тепловой усадки, которая отсутствует у пористой выплавляемой модели, полученной холодным прессованием модельного порошка. Однако применение такого приема ограничивается реологическими характеристиками используемых материалов. При получении прессованной выплавляемой модели сложной конфигурации c переменной толщиной прогнозировать значения плотности различных ее участков в ряде случаев затруднительно. Сложность заключается в отсутствии данных о значении величины упругого от- а б Рис. 1. Внешний вид выплавляемых моделей, изготовленных из парафина марки Т1 клика материала [10-12]. По завершении релаксации материала плотность может распределяться неравномерно и может отличаться от расчетных значений [13, 14]. Экспериментально определено, что суммарное влияние релаксации компонентов прессованной выплавляемой модели (воздуха и воскообразного модельного материала) приводит к увеличению ее размеров в продольном прессованию направлении на 0,7-1,2 %, а в поперечном на 0,4-0,5 % [15]. Величина упругого отклика материала в массивных узлах выплавляемой модели определяется временем выдержки прессовки под нагрузкой [16]. Устранение и прогнозирование величины упругого отклика протяженных тонкостенных участков прессованной модели затруднено и представляется малоизученным. Таким образом, несоответствие размеров формообразующей полости пресс-формы конечным размерам прессованной выплавляемой модели, проявляющееся в меньшей мере, чем при использовании традиционного процесса, все же остается проблемой. Решение этой проблемы определяет актуальность представленных в настоящей работе результатов исследований. Таким образом, целью эксперимента является исследование возможности управления величиной упругого отклика протяженного участка выплавляемой модели, полученной холодным выдавливанием порошка воскообразного модельного материала через мундштук. В рамках поставленной цели решались следующие задачи: определение нагрузки, необходимой для создания условий, при которых порошок модельной композиции поступает в пластифицированном состоянии через мундштук, имитируя процесс заполнения уплотняемым материалом поднутреней пресс-формы; определение температуры выдавливаемого материала в зоне его подачи в мундштук при изменении скорости перемещения пресс-пуансона; экспериментальное определение скорости выдавливания воскообразного материала через мундштук, при которой величина упругого отклика получаемой прессовки будет минимальной. Распространенным материалом, применяемым для получения выплавляемых моделей является равнокомпонентный сплав парафина и стеарина ПС 50/50, относящийся к 1-й классификационной группе [1]. Для снижения погрешности эксперимента в качестве уплотняемого порошкового тела использовали материал на основе парафина марки Т1 (по ГОСТ 23683-89. Парафины нефтяные твердые. Технические условия). Т1 имеет плотность при свободной заливке 0,86 г/см3 с учетом распределенной пористости; температура плавления, регламентированная ГОСТ 23683-89, составляет 52-58 °С. Реализация поставленных задач осуществлялась при помощи тестовой машины AG-X plus Shimadzu, на рабочий стол которой устанавливалась стальная пресс-форма с цилиндрической внутренней поверхностью и внутренним диаметром 45 мм. В донной части пресс-форма снабжена диффузором в виде крышки с мундштуком, внутренний диаметр которого составляет 9 мм, как показано на рис. 2. Таким образом, отношение значений площади сечений уплотняемого порошкового тела и пластифицированного составляет 25 к 1. К диффузору подведена термопара типа ТП.ХА(К).Н, подключенная к цифровому регистратору Ш9329/1 для фиксации изменения температуры выдавливаемого через мундштук воскообразного материала. В пресс-форму засыпали Т1 в виде порошка фракции 0,63 мм и перемещали поршень до полного выдавливания Т1 из мундштука. Скорость перемещения поршня при холодном выдавливании порошка для каждой серии экспериментов изменялась от 0,5 до 3 мм/с с шагом 0,25 мм/с. Во время каждого эксперимента скорость перемещения поршня постоянная. Пластифицированный материал на выходе из мундштука представляет собой длинномерную прессовку круглого сечения, диаметр которой измеряли по длине прессовки с шагом 50 мм электронным цифровым регистратором DIN 863 Vogel с точностью измерения 0,001 мм. По отклонению полученных значений от внутреннего диаметра мундштука регистрировали упругий отклик или усадку материала. Величину упругого отклика определяли по формуле Оупр = ((А1 - А0)/А0) · 100 %, где Оупр - величина упругого отклика, %; А1 и А0 - соответственно контролируемые размеры внутреннего диаметра мундштука и внешнего диаметра длинномерной прессовки, мм. Напряженно-деформированное состояние исследуемой системы принято графически отображать в координатах напряжение-деформация. Поскольку в условиях постоянной скорости и изменяющегося давления прессования порошковое тело, пластифицируясь, выдавливается через мундштук, в нашем случае в качестве параметра оси ординат корректнее использовать нагрузку, которая возникает на поршне. Для эксперимента выбран такой тип конструкции крышки пресс-формы, при котором реализуются условия затрудненного выдавливания пластифицированного материала из мундштука [17]. Представленная на рис. 2 картина течения уплотняемого материала, на который заметное влияние оказывают силы трения, характеризуется наличием сдвиговых деформаций периферийных слоев по всей высоте материала, наличием «мертвой зоны» [18], неравномерности деформации в поперечном сечении выдавливаемого материала. Вертикальное сечение материала, представленное на рис. 2, характерно для начала его выдавливания из пресс-формы. Такой характер деформации материала, при котором пластическая зона охватывает всю полость пресс-формы, должен приводить к неравномерному распределению свойств получаемой длинномерной прессовки. Достижение относительного равномерного распределения свойств в такой прессовке возможно благодаря выдавливанию материала через мундштук. Учет характеристик прессовки позволяет прогнозировать распределение свойств в различных зонах прессованных моделей [19]. Рис. 2. Схема выдавливания модельного материала через мундштук: 1 - цилиндрическая пресс-форма; 2 - крышка с мундштуком; 3 - поршень Скорость перемещения пресс-пуансона в значительной степени влияет на деформационную картину в целом и на свойства длинномерной прессовки [20]. На рис. 3 представлены зависимости нагрузки, создаваемой на поршне при холодном выдавливании помещенного в пресс-форму порошка фракции 0,63 мм через мундштук, от перемещения пресс-поршня при наиболее характерных скоростях процесса выдавливания. Видно, что пиковая нагрузка, определяющая начало процесса выдавливания материала из мундштука, при скорости перемещения поршня 0,5 мм/с составляет 25 кН, а при скорости 3 мм/с - 35 кН. На этой стадии выдавливания различие в нагрузках представленных режимов превышает 30 %. При выходе режима выдавливания на стационарный различие в нагрузках не превышает 10 %. 40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5000 0 --- Скорость 0,5 мм/с; --- скорость 3 мм/с Рис. 3. Зависимость нагрузки (Н), создаваемой на поршне для холодного выдавливания пластифицированного порошкового тела через мундштук, от перемещения (мм) поршня при различных скоростях процесса В результате регистрации значений температуры материала в зоне его перехода из полости пресс-формы в мундштук также установлены существенные различия. В ходе эксперимента, проводившегося при температуре окружающей среды 19 °С, температура материала в момент пиковой нагрузки при скорости перемещения пресс-поршня 0,5 мм/с возросла на 38 %, а для скорости 3 мм/с ее рост составил 43 %. При выходе процесса на установившийся режим выдавливания, при котором нагрузка меняется незначительно, температура плавления материала не была достигнута благодаря высокой теплоемкости материала пресс-формы. В ходе эксперимента установлено, что средняя плотность получаемых длинномерных прессовок не находится в прямой зависимости от скорости выдавливания в случаях, когда температура пластифицируемого материала при установившемся режиме выдавливания значительно ниже температуры его расплавления. Таким образом, средняя плотность длинномерных прессовок характерна для плотности материала Т1, получаемой при свободной заливке, и составляет 860 г/см3. На поверхности длинномерной прессовки, полученной при скорости перемещения пресс-поршня 3 мм/с, визуально определимы усадочные дефекты, проявляющиеся в начале длинномерной прессовки. Отмеченное подтверждается данными, представленными на рис. 4, где приведено распределение величины упругого отклика материала по длине прессовок, полученных при различных скоростях выдавливания материала из мундштука. Видно, что упругий отклик длинномерной прессовки, полученной при скорости перемещения пресс-поршня 3 мм/с, в ряде случаев достигает 1 %, а при скорости поршня 0,5 мм/с не превышает 0,7 %. При этом к суммарному значению искажений размеров прессовки от диаметра профилирующего мундштука необходимо добавить глубину усадки материала, что в целом определяет недопустимость применения повышенной скорости выдавливания для получения длинномерной прессовки с минимальными искажениями размеров. Таким образом, установлено, что теплофизические условия формирования длинномерной прессовки из порошкового тела холодным выдавливанием через мундштук определяются величиной нагрузки, создаваемой при передаче давления прессования порошковому телу. Экспериментально установлено, что с увеличением скорости перемещения пресс-пуансона от 0,5 до 3 мм/с напряжение возрастает на 30 %. Наименьший упругий отклик выдавливаемой длинномерной прессовки достигается в интервале значений скорости перемещения пресс-поршня 0,5-1,5 мм/с. С увеличением скорости уплотнения в прессовке после снятия нагрузки появляются отрицательные значения упругого отклика, характеризующие появление усадочных дефектов, связанных с локальным перегревом материала. Эти данные позволят управлять величиной упругого отклика материала уплотняемого порошкового тела путем регулирования нагрузки при выдавливании. Работа выполнена в рамках государственного задания № 007-00285-18-00. 1,0 0,5 0 -0,5 -1,0 Скорость 0,5 мм/с; скорость 3 мм/с Рис. 4. Распределение величины упругого отклика материала по длине прессовок, полученных при различных скоростях выдавливания материала из мундштука

About the authors

S. G Zhilin

Institute of Machinery and Metallurgy of Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

O. N Komarov

Institute of Machinery and Metallurgy of Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

A. A Sosnin

Institute of Machinery and Metallurgy of Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

N. A Bogdanova

Institute of Machinery and Metallurgy of Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

References

Statistics

Views

Abstract - 18

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.