Технологічні процеси виготовлення ливарного оснащення з використанням методів швидкого прототипування

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКОТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

Спеціальність 05.16.04 Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Технологічні процеси виготовлення ливарного оснащення з використанням методів швидкого прототипування

Триньова Тетяна Леонідівна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Таран Борис Петрович, Нацiональний технiчний унiверситет «Харківський політехнічний інститут», професор, м. Харків.

Офiцiйнi опоненти:

доктор технічних наук, доцент Могилатенко Володимир Генадійович, Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри, м. Київ;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шинський Ігор Олегович, Фізикотехнологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділом, м. Київ.

Захист вiдбудеться « 24 » червня 2009 р., о 14оо годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.232.01 Фізикотехнологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ, пр. Вернадського, 34/1.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Фізикотехнологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ, пр. Вернадського, 34/1.

Автореферат розiсланий « 7 » травня 2009 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради д.т.н. М.І. Тарасевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з головних задач у галузі ливарного виробництва є запровадження прогресивних технологій для забезпечення високоякісними виливками машинобудівний комплекс.

Якість ливарної продукції суттєво залежить від технологічного оснащення, яке використовується при виготовленні пісчаних та металевих форм. Разом з тим відомо, що існуючі технології одержання такого оснащення передбачають використання алюмінієвих сплавів, легованих сталей і чавуну СЧ20, а також складної механічної обробки, яка має довготривалий цикл його одержання.

Створення високотехнологічного, довговічного ливарного оснащення, яке б забезпечило виробництво якісних виливків, можливе за умов адаптації різновидів технологій швидкого прототипування ще на стадії його проектування.

Вiдсутнiсть даних про властивостi матерiалiв, що використовують технології швидкого прототипування, не дають змогу їх застосування для виготовлення ливарного оснащення, умови праці котрого передбачають термоциклічні навантаження при високих температурах і потребують спеціального вивчення.

Адаптація новітніх технологій швидкого прототипування для одержання високотехнологічного ливарного оснащення та дослідження, спрямовані на отримання відомостей про зміну властивостей матеріалів в умовах термосилових навантажень є актуальною проблемою отримання високоякісних виливків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі ливарного виробництва НТУ «ХПІ» у відповідності до плану науководослідних робіт в рамках держбюджетної програми за темою (ДР № 0105U000576) «Розробка теоретичних основ оптимізації прискореного формоутворення виробів на принципах генеративних технологій (Rapid Prototyping)», а також на підставі договору про партнерство і співробітництво НТУ «ХПІ» з ЗАТ «Конструкторськотехнологічне бюро верифікаційного моделювання та підготовки виробництва».

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення технологічних процесів виготовлення ливарного оснащення з використанням методів швидкого прототипування та матеріалів, що їми застосовуються (фотополімерна смола, поліамідні та композитні матеріали (КМ) на основі гранульованих металевих порошків легованих елементами: вольфрам, хром та ін.; хром та ін.).

Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:

розробити спеціальну методику термоциклічних випробувань КМ та дослідити їх поведінку в умовах термоциклічного навантаження, а також визначити їх термостійкість;

створити композитні матеріали на основі легованих металевих гранульованих порошків, з застосуванням зміни відсоткового співвідношення армуючої фази (АФ) до матричного сплаву (МС) 10%ч40%, спрямовані на отримання матеріалів щодо виготовлення високотехнологічного

ливарного оснащення для одержання якісних виливків з виходом придатного до 98%;

визначити закономірності впливу зміни складу КМ на їх теплофізичні, механічні та експлуатаційні властивості;

встановити основні чинники, що впливають на точність, шорсткість і геометрію поверхні ливарного оснащення, яке виробляється з використанням методів швидкого прототипування;

дослідити вплив термочасових параметрів нагріву фотополімерної смоли на зміну її фазового стану та експлуатаційні характеристики;

визначити режим отримання виливків за моделями з фотополімерного матеріалу, що випалюються;

розробити варіанти застосування технологій швидкого прототипування для виготовлення ливарного оснащення з урахуванням особливостей побудови 3D моделей і встановити межі доцільності їх використання шляхом аналізу розрахунків розмірних ланцюгів;

провести досліднопромислову перевірку матеріалів дослідження, методів оптимізації параметрів технологій швидкого прототипування для виготовлення ливарного оснащення і визначити переваги запропонованого матеріалу у порівнянні з чавуном СЧ20.

Об'єкт дослідження. Технології швидкого прототипування.

Предмет дослідження. Методи технологій швидкого прототипування та властивості матеріалів, що їми застосовуються для виготовлення ливарного оснащення (моделі, кокілі, пресформи).

Методи дослідження. Побудова 3D моделей формоутворюючих елементів пресформ і кокілів здійснювалась з використанням програмного пакету Solid Works.

Вивчення впливу зміни температури від 20єС до 300єС на фізичний стан фотополімерного матеріалу виконувалося за допомогою ділатометру ДКВ4 з спеціальним пристроєм для періодичного навантаження.

Металографічний аналіз проводився за допомогою оптичного мікроскопу «Neophot21», твердість визначалась на приладі ТК2, мікротвердість ПМТЗ, а визначення механічних властивостей зразків, в інтервалі підвищених температур до 600єС, виконувалось на установці ІМАШ2075.

Визначення можливостей отримання точного ливарного оснащення з використанням методів швидкого прототипування виконувалось на основі теоретичного аналізу розмірних ланцюгів з урахуванням поправочного коефіцієнту відхилення.

Розрахунки необхідних теплофізичних параметрів базуються на основних положеннях теорії нестаціонарної теплопровідності.

Вивчення умов твердіння алюмінієвих сплавів у ливарному оснащенні з КМ різного співвідношення АФ до МС (10%ч40%) і з чавуну СЧ20 та дослідження їх закономірностей провадилось з використанням програмного пакету Solid Cast (похибка якого становить від 10% до 40% в залежності від кількості врахованих чинників, які впливають на процес кристалізації матеріалу твердіння, в даному випадку, алюмінієвого сплаву).

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

1. Створені нові технології виготовлення ливарного оснащення і нові КМ на основі легованих металевих гранульованих порошків, одержаних з застосуванням зміни відсоткового співвідношення АФ до МС, а саме: 10%ч40% МС з застосуванням яких зґявляється можливість використання матеріалів щодо виготовлення високотехнологічного ливарного оснащення здатного на одержання якісних виливків з виходом придатного до 98%.

2. Проведені дослідження термостійкості КМ в умовах термоциклування в межі експлуатаційної температури кокіля 400°С. Встановлено, що КМ варто використовувати для виготовлення високотехнологічного ливарного оснащення щодо одержання якісних виливків при разовому та масовому виробництві, в т. ч. з алюмінієвих сплавів та тонкостінних виливків з чавуну.

3. Досліджено механізм утворення тріщин термічної втоми КМ. Встановлено, що на початку термоциклування зразків під дією термічних напружень на їх формоутворювальній поверхні з'являються мікротріщини, які збільшуються від циклу до циклу і їх розвиток приводить до утворення крупних магістральних тріщин втоми, які суттєво впливають на час працездатності ливарного оснащення. Для підвищення термостійкості форми запропоновано інфільтрацію АФ провадити з мАтеріалів, які сприятимуть підвищеню властивостей КМ.

4. Встановлено можливість мінімізування припуску на механічну обробку виливків з складною формоутворювальною поверхнею до 1мм, завдяки встановленому взаємозв?язку між розмірними відхиленями виробів та їх розташуванням по осях X, Y, Z. Для корекції цих відхилень введено поняття поправочного коефіцієнту відхилення та встановлені його числові значення.

5. Встановлено вплив зміни температури ливарного оснащення на термічне розширення взаємодіючих матеріалів системи «формавиливок», яке має екстремум в інтервалі від 560°С до 580°С, що дає змогу доцільно використовувати запропоновані матеріали в якості вставок у составному кокілі, а також визначено числові значення зазорів між матрицею та вставкою. ливарний оснащення формавиливка фотополімерний

6. Визначено теплофізичні характеристики КМFeW (теплопровідність, температуропровідність, коефіцієнт термічного розширення). Встановлено, що збільшення вмісту бронзи з 10% до 40% веде до зростання теплопровідності КМ у 2 рази, що суттєво впливає на час кристалізаціп сплаву виливка (алюмінієвий сплав) та його щільність. Визначено, що виділення твердої фази у формі виготовленій з КМFeW проходить у 1,5 рази інтенсивніше, ніж у формі, виготовленій з чавуну СЧ20.

7. Досліджена кінетика зміни фізичного стану фотополімерного матеріалу в інтервалі температур від 20єєС до 300єС. Встановлено температуру випалювання моделей із фотополімерного матеріалу, яка становить 850°С.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Результати досліджень використані при проектуванні та виготовленні модельного оснащення та кокілів, що впроваджено на 8 підприємствах України, в т.ч.: ТОВ «НОТЕКС» (м. Бердянськ), ВАТ «АВТРАМАТ» (м. Харків), ТОВ «АВТОЗАЗ» ( м. Запоріжжя ), ТОВ «ДКТБ ім. Антонова» ( м. Київ ) , ВО «ПІВДЕНМаш» (м. Днєпропетровськ), ВАТ «ХТЗ» (м. Харків), ВАТ «АРМАПРОМ» (м. Суми), ДП ХМЗ «ФЕД» ( м. Харків) з економічним ефектом 100 тис. грн./р.

2. Матеріали дисертації використовуються у навчальних програмах курсів нової спеціалізації 6.05020203 «Компґютерноінтегровані процеси у ливарному виробництві» на кафедрі ливарного виробництва НТУ «ХПІ».

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи базуються на дослідженнях, виконаних безпосередньо автором. Науково обґрунтовано, розроблено і впроваджено у виробництво ливарне оснащення підвищенної стійкості, що суттєво вплинуло на якість виливків.

У спільних публікаціях авторові належать ідеї [1, 3, 68], формулювання задач і обґрунтування перспективних шляхів їх вирішення [58], аналіз і узагальнення результатів [4], формулювання висновків [18].

Здобувач безпосередньо брала участь у розробці та впровадженні технологій швидкого прототипування у виробництво на підприємствах України.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації докладалися і обговорювалися на: Міжнародній науковопрактичній конференції ливарників України «Литвофорум Україна2003» (Київ, 2003); XII Міжнародній науковопрактичній конференції «Micro CAD» (Харків, 2004, 2005, 2006р.р.); Міжнародному науковотехнічному конгресі «Економічний шлях до високоякісного литва» (Запоріжжя, 2005); XIV Міжнародній науковопрактичній конференції «Нові технології, машини і устаткування в ливарному виробництві» (Запоріжжя, 2006); Міжнародному науковотехнічному конгресі «Процеси плавки, обробки і розливання металів: відливання, злитки, заготівки» (Київ, 2006); Міжнародній науковопрактичній конференції «Нові технології, машини і устаткування в ливарному виробництві» (Запоріжжя, 2007), IV Міжнародній науковопрактичній виставціконференції «Литво 2008» і виставціконференції «Металообробка 2008» (Запоріжжя, 2008).

Публікації: По темі дисертації опубліковано 5 спеціалізованих статей у фахових журналах рекомендованих ВАК України, з них 1 без співавторів. Додатково, результати роботи викладені у 9 тезах міжнародних конференцій і 2 статтях у спеціалізованих виданнях України. Новизна технологічних розробок підтверджена 3 патентами України, у співавторстві.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, пґяти розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Вона викладена на 200 сторінках, включаючи 19 таблиць, 61 рисунка, 4 додатки у вигляді актів впровадження результатів дослідження у виробництво, а також список використаних джерел з 193 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність науковотехнічної проблеми, що є темою дисертації, наведено мету і задачі досліджень, описано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, данні щодо апробації і публікацій результатів дисертаційної роботи, структура й обсяг дисертації.

У першому розділі проведено аналіз проблем ливарного виробництва, які постійно потребують вдосконалення технологічних процесів виготовлення високотехнологічного ливарного оснащення, матеріалів його виготовлення, а також чинників, що впливають на розмірну точність, щільність виливків, шорсткість їх поверхні, що взагалі і складає поняття якості виливків.

Детально проаналізовані роботи, в яких розглядаються особливості традиційних методів лиття, матеріали для виготовлення ливарного оснащення та технологічні умови їх експлуатації, з метою можливості їх вдосконалення або застосування разом з новими технологіями. Розглянуто роботи по отриманню якісних виливків, проаналізовано проблеми, які виникають при їх виготовленні та засоби вирішення проблем‚ що виникають.

Доведена необхідність застосування у ливарному виробництві нових технологій і нових матеріалів при виготовленні високотехнологічного ливарного оснащення.

Аналіз літературних джерел стосовно нових технологій, а саме технологій швидкого прототипування (лазерної стереолітографії, селективного лазерного спікання металевих і поліамідних порошків) показав, що запровадження матеріалів, які використовують дані технології щодо виготовлення ливарного оснащення, ще не достатньо вивчено і саме тому, потребує поглиблення досліджень і вивчення їх особливостей з наданням пропозицій по їх використанню.

Наведено склад легованих елементів композитних матеріалів, які застосовані технологіями швидкого прототипування (селективного лазерного спікання металевих гранульованих порошків), запропонованих для виготовлення ливарного оснащення, табл. 1, 2, відповідно.

Таблиця 1

Склад АФ на основі гранульованого порошку КМFeW

Елементи	Склад % (мас.)
Залізо	Залишок
Вольфрам	5ч10
Хром	1ч5
Магній	1ч5
Молібден	1ч5
Нікель	0,1ч1

Таблиця 2

Склад АФ на основі гранульованого порошку КМFeCr

Елементи	Склад % (мас.)
Залізо	Залишок
Хром	12ч14
Марганець	1ч2

Вміст С складає, відповідно 2,17%, 2,14%. Інфільтрація армуючоп фази проводиться 40% оловянової бронзи Бр.ОЦС555.

Сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі охарактеризовані загальна методика дослідження запропонованих матеріалів і основні методи їх дослідження.

Дослідження впливу зміни температури від 20єС до 300єС на працездатність матеріалу з фотополімерної смоли, запропонованої для виготовлення Quick Cast моделей, що випалюються, проводилися з використанням ділатометру ДКВ4. Металографічний аналіз структури КМ проводився за допомогою оптичного мікроскопу «Neophot21, його твердість вимірювалась за допомогою пристрою ТК2, а мікротвердість на мікротвердомірі ПМТ3. Для визначення механічних властивостей зразків створених КМ в межі 600єС використовували установку ІМАШ2075.

Випробування зразків КМ в умовах термоциклування проведені на установці, за спеціально розробленою методикою, конструкція якої дозволила забезпечити максимальне наближчення до умов експлуатації ливарного оснащення та створити умови появи і розвитку тріщин термічної втоми. Для цього також було розроблено форму дослідного зразка у вигляді кільця, що дозволяє забезпечити різний об'ємно напружений стан на формоутворюючій поверхні і на зовнішньому шарі поверхні кокіля.

Попередні розрахунки основних теплофізичних параметрів базуються на основних положеннях теорії нестаціонарної теплопровідності.

Комп?ютерне моделювання процесів лиття було проведено у графічному редакторі Solid Cast. Побудова 3D моделей, а також проектування ливарного оснащення проводилося у графічному редакторі Solid Works.

У третьому розділі розглядаються результати дослідження експлуатаційних характеристик матеріалів, які використовують технології швидкого прототипування (RP).

Так вивчаючи зміни властивостей фотополімерної смоли при нагріванні було встановлено, що фізичний стан цього матеріалу змінюється від пружного до крихкого у чотирьох температурних інтервалах (рис. 1): I (20ч60єС) пружний, склоподібний; II (60ч150єС) еластичний; III (150ч230єС) в'язкотекучий (початок термодеструкції); IV (230ч300єС) крихкий стан ( значне газовиділення).

Одержані данні є важливими при визначенні оптимальних термочасових режимів випалю

вання фотополімерних моделей, що використовуються при литті за моделями, що випалюються.

Визначено властивості КМ в умовах складного термоциклічного навантаження

загальна деформація при навантаженні; залишкова деформація після розвантаження.

за розробленою спеціальною методикою. При дослідженні максимальна температура термоциклів становила 400°С, яка відповідає температурі робочої поверхні кокільного оснащення при одержанні виливків з алюмінієвих сплавів.

Аналіз одержаних даних показав, що на зразках з КМFeCr вже після 100 циклів утворюються тріщини термічної втоми, а на зразках з КМFeW навіть після 1000 циклів тріщин не було виявлено. Крім того, під час термоциклування, відбувається пластичне деформування шару внутрішньої поверхні зразків

У зразках КМFeW деформування досягає найбільших значень після 100 циклів, при подальших навантаженнях вона незначна і досягає практичного насищення, тобто акомодації.

Так мікротвердість АФ з КМFeW зростає після 1000 циклів до 44,0 кг/мм2, а МСдо 26,6 кг/мм2, що відповідно у 1,3ч1,6 разів вище ніж у початковому стані. Мікротвердість АФ з КМFeCr зменшується після 100 циклів до 35,53 кг/мм2, що у 1,4 рази нижче ніж у початковому стані МС залишається практично без змін. Тому, КМFeW, рекомендовано запроваджувати щодо виготовлення формоутворюючих елементів кокілів і пресформ, а оскільки зразки КМFeCr не забезпечують необхідної термостійкості, то такий матеріал було запропоновано використовувати щодо виробів, які працюють в умовах підвищеного зносу і незначних температур (56єСч60єС), як матеріал з високою теплопровідністю, наприклад, для пресформ лиття за моделями, що витоплюються.

Таким чином встановлено, що за термостійкістю і стабільністю розмірів, зразки із КМFeW суттєво перевищують зразки із КМFeCr. Це пов'язано із зміцненням як АФ так і МС, що відчутно у порівнянні гістограм мікротвердості матеріалів наведених на рис. 3 (а, б).

Торкаючись механізму утворення тріщин термічної втоми КМ було визначено, що підвищення властивостей матеріалу МС є запорукою зростання термостійкості в цілому, щодо тріщин термічної втоми, вирогідно, вони матимуть транскристалічний характер. Особливу роль в структурі, КМ відіграє пористість. З одного боку, пори знижують міцність і при їх скупчені близько до поверхні з ростом температури стають концентраторами напруг і місцем початку утворення тріщин

У цьому ж розділі також було визначено умови вибору матеріалу виготовлення ливарного оснащення призначеного для тривалого терміну його роботи в умовах термоциклічних навантажень. Для цього було проведено розрахунки коефіцієнтів термічного розширення взаємодіючих матеріалів системи форма (матриця вставка) сплав виливка, які дозволили встановити характер зміни значень КТР. При цьому встановлено, що значення КТР для усіх досліджуваних матеріалів мають екстремум в інтервалі 560ч580°С численні значення котрих відповідають: 12,05·106 1/°С сірому чавуну СЧ20; 19,53·106 1/°С КМ; 26,06·106 1/°С алюмінієвому сплаву. Одержані данні є важливими для обґрунтування доцільності вибору запропонованого матеріалу для виготовлення ливарного оснащення. У зв'язку з цим важливим було визначитися з теплофізичними характеристиками КМFeW. Тому, шляхом використання методу комп'ютерного моделювання процесу кристалізації алюмінієвого сплаву, було встановлено вплив відсоткового співвідношення металевого порошку до бронзи у КМ на його теплопровідність.

Аналіз цих даних показав, що збільшення вмісту бронзи з 10% до 40% у КМFeW веде до зростання теплопровідності у 2 рази з 32,05 Вт/м•єС до 62,27 Вт/м•єС, що суттєво впливає на час твердіння та щільність виливків.

У четвертому розділі придиляється важливе значення аналізу якісним і кількісним чинникам, що впливають на точність розмірів і геометрію ливарного оснащення при його виготовленні з використанням технологій RP. При цьому встановлено, що точність розмірів, шорсткість поверхні, час виготовлення залежать не тільки від обраного способу технології швидкого прототипування і його матеріалу, але і від розташування 3D моделей ливарного оснащення на столі побудови установок, значення заданого кроку побудови, а також кривизни поверхні виробу. Таким чином, чим вищче значення заданого кроку побудови і кривизни поверхні виробу, тим більші відхилення від номінальних розмірів, а геометрія поверхні має яскраво виражену хвилеподібну форму, час побудови виробів при цьому, скорочується. Важливо, що значення відхилень від номінальних розмірів по осі Х, Y, Z нерівнозначні.

Визначені особливості побудови установок даних технологій дуже важливі щодо забезпечення високої розмірної точності елементів ливарного оснащення. Тому, для мінімізації розмірних відхилень при побудові цих елементів запропоновано, при проектуванні ливарного оснащення ввести поняття поправочного коефіцієнту відхилень Кв. Кількісні данні Кв були визначені шляхом контрольних вимірів реального ливарного оснащення, числові значення Кв наведені у табл. 3.

Таблиця 3

Параметри поправочного коефіцієнту відхилення Кв

Назва установок	Матеріал і розміри стола побудови, мм	Гарантований до пуск, мм	Поправочний коефіцієнт відхилення - Кв, %
			Х	Y	Z
SLA5000	Фотополімерна смола 508х508х508	±0,05	0,05ч0,25	0,05ч0,15	0,10ч0,30
Vanguard HS	Поліамідний порошок (Dura Form, Dura Form GН) 380х320х450	±0,40	0,80ч1,30	0,15ч0,45	1,15ч2,30
	КМ на основі металевого порошку ST100 (КМFeCr) і A6 (КМFeW) 220х200х140	±0,30	0,80ч1,10	0,35ч0,60	1,10ч2,30

Вирогідно такі особливості, як неравномірність відхилень, носить характер термосилових взаємодій між частками матеріалу побудови, який залежить від багатьох чинників таких, як живучість смоли, величини гранул порошку, температури навколишнього середовища і т. п. Значення Кв, обираються в залежності від обраного матеріалу побудови і типу установки, при цьому, більші значення Кв, по горизонтальним осям (Х, Y), обираються для розмірів до 100мм, а меньші значення Кв для розмірів понад 100мм.

Доцільність, застосування можливостей технологій швидкого прототипування для виготовлення ливарного оснащення доведена, розрахунком розмірних ланцюгів з урахуванням Кв, на прикладі запропонованого технічного рішення виготовлення модельного оснащення «Модельний модуль». При цьому встановлено можливість виготовлення точного ливарного оснащення з використанням методів технологій RP за умов урахування Кв, тобто коли вибрані осі координат при проектуванні елементів ливарного оснащення співпадатимуть з відповідними осями на столі побудови виробу (рис. 5 а). Ливарне оснащення‚ що має великі розміри запропоновано виготовляти частинами‚ які також повинні бути розташовані на столі побудови в одній осі

У п'ятому розділі надані варіанти розроблених технологій виготовлення ливарного оснащення з композитів та моделей із полімерів шляхом швидкого прототипування, ефективне використання яких підтверджено дослідно експериментальними перевірками.

Завдяки мінімізації відхилень по осях оснащення при його виготовленні стає можливим підвищити точність виливків, що зменшує припуски на механічну обробку та її собівартість.

Наведено варіанти запровадження технології стереолітографії, як засобу виготовлення модельного оснащення для одержання пісчаних форм та стрижнів

Наведено рішення виготовлення кокілів, елементів ливарного оснащення, у т. ч. з водоохолоджувальними порожнинами з КМ з використанням технології селективного лазерного спікання

Запропонована технологія одержання моделей з фотополімерів, оптимальний режим їх випалювання у пароповітряному середовищі та застосування термоудару з відпалом керамічної оболонки форми, що ліквідує у ній можливість появи тріщин та мінімізує спроможність утворення залишків коксоутворень

У п'ятому розділі також наведені данні щодо умов твердіння алюмінієвого сплаву у формі виготовленій з КМ, які одержані за допомогою комп'ютерного моделювання. Аналіз цих даних показав, що виділення твердої фази у кокілі з КМFeW проходить у 1,5 рази інтенсивніші ніж у ливарного оснащення виготовленого з чавуну СЧ20 ( рис. 9). Це підтверджує доцільність використання запропонованих КМ щодо виготовлення ливарного оснащення здатного забезпечити одержання якісних виливків.

У розділі наведені також данні щодо ефективного використання результатів досліджень при проектуванні та виготовленні модельного оснащення і кокілів, які впроваджено на 8 підприємствах України, в т. ч. ТОВ «НОТЕКС» (м. Бердянськ), ВАТ «АВТРАМАТ» (м. Харків), ТОВ

«АВТОЗАЗ» (м. Запоріжжя), ТОВ «ДКТБ ім. Антонова» (м. Київ) , ВО «ПІВДЕНМаш» (м. Днєпропетровськ), ВАТ «ХТЗ» (м. Харків), ВАТ «АРМАПРОМ» (м. Суми), ДП ХМЗ «ФЕД» ( м. Харків) з економічним ефектом 100 тис. грн./р.

1чавун; 2 КМFeW з 40% МС; 3 КМFeW з 30% МС; 4 КМFeW з 20% МС; 5 КМFeW з 10% МС.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичні узагальнення і запропоноване нове рішення актуальної науковотехнічної задачі розробки технологічних процесів виготовлення ливарного оснащення з використанням методів швидкого прототипування, яке полягає у встановлені умов і межі використання створених матеріалів та розробки нових варіантів виготовлення ливарного оснащення.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень зроблені наступні основні висновки:

1. Створено нові технології і матеріали для виготовлення за короткий термін високотехнологічного ливарного оснащення з складною формоутворювальною поверхнею, здатного забезпечувати отримання якісних виливків за: розмірною точністю, щільністю, високою якістю поверхні з виходом придатного до 98% .

2. Дослідження термостійкості КМ в умовах термоциклування в межі експлуатаційної температури роботи кокіля 400°С показали, що на зразках із КМFeCr після 100 термоциклів з'являються тріщини, а на зразках із КМFeW вони відсутні і після 1000 циклів, що дає змогу використовувати КМFeW виготовлення ливарного оснащення при масовому виробництві виливків, в т. ч. з алюмінієвих сплавів та тонкостінних виливків з чавуну, а КМFeCr для форм при одержанні виливків з алюмінієвих сплавів та тонкостінних виливків з чавуну при разовому виробництві.

3. Досліджено механізм утворення тріщин термічної втоми КМ. Встановлено, що на початку термоциклування зразків під дією термічних напружень з'являються мікротріщини, які збільшуються від циклу до циклу і їх розвиток приводить до росту крупних магістральних тріщин втоми, які суттєво впливають на строк працездатності оснащення, тому для підвищення термостійкості форми запропоновано інфільтрацію металевого каркасу АФ провадити з матеріалів, які сприятимуть підвищеню очікуваних властивостей КМ, запропонованих для виготовлення ливарного оснащення. В даному випадку для отримання ливарного оснащення з підвищенним строком працеюдатності запропоновано інфільтрацію проводити хромовою бронзою або алюмінієвозалізною бронзою як матеріалів, які мають високі експлуатаційні властивості, що в 1,5 і 2 рази, відповідно, більше, ніж у оловяновій бронзи.

4. Встановлено можливість мінімізування припуску на механічну обробку виливків з складною формоутворювальною поверхнею до 1мм, завдяки встановленому взаємозв?язку між розмірними відхиленями виробів та їх розташуванням по осях X, Y, Z. Визначено, що числові значення розмірних відхилень по осях X, Y, Z не однакові і відрізняються в залежності від розміщення на столі побудови і матеріалу оснащення. Для корекції цих відхилень введено поняття поправочного коефіцієнту відхилення та встановлені його числові значення, використовуючи котрі при проектуванні, можна досягти значного підвищення точності ливарного оснащення при його виготовленні.

5. Встановлено вплив зміни температури ливарного оснащення на термічне розширення взаємодіючих матеріалів системи «формавиливок», яке має екстремум в інтервалі від 560°С до 580°С, який відповідає: 12,05·106 1/°С сірому чавуну СЧ20; 19,53·106 1/°С КМ; 26,06·106 1/°С алюмінієвому сплаву, що дає змогу доцільно використовувати матеріали дослідження в якості вставок у составному кокілі, а також визначення числових значень зазорів поміж матрицею і вставкою.

6. Визначено теплофізичні характеристики КМFeW (теплопровідність, температуропровідність, коефіцієнт термічного розширення), які показали, що збільшення вмісту МС: 10%, 20%, 30, 40% веде до зростання теплопровідності матеріалів з 32,05 Вт/м•°С до 62,27 Вт/м•°С, тобто у 2 рази, що суттєво вплине на час кристалізаціп сплаву виливка (алюмінієвий сплав) та його щільність.

7. За допомогою комп'ютерного моделювання процесу кристалізації алюмінієвого сплаву визначено, що кристалізація у формі виготовленій з КМFeW проходить з виділенням твердоп фази у 1,5 рази інтенсивніше, ніж у ливарного оснащення виготовленого з чавуну СЧ20.

8. Досліджена кінетика зміни фізичного стану фотополімерного матеріалу в інтервалі темпетатур від 20єС до 300єС. Встановлено, що фізичний стан цього матеріалу залежить від температури і може бути: склоподібним (20єСч60єС), високопластичним (60єСч150єС), в'язкотекучим (150єСч200єС) та крихким (200єС ч300єС). Визначено, що при температурі нагрівання від 150єС до 230єС наступає термодеструкція фотополімеру, а від 230єС до 300єС його газифікація.

9. Оптимізовано технологічний режим випалювання фотополімерних моделей при одержанні виливків у керамічних формах з використанням термоудару з наступним окисленням продуктів термодеструкції моделі, завдяки введенню реагентувода у камеру випалювання (замість температури випалювання 1100єС запропоновано 850єС), що значно розширить можливості використання технології випалювання Quick Cast моделей.

10. Для одержання виливків з алюмінієвих сплавів створено технології виготовлення кокілів та їх елементів, у т. ч. з водоохолоджувальними порожнинами, із КМFeW і КМFeCr з використанням методів швидкого прототипування (селективного лазерного спікання.

11. Результати досліджень використані при проектуванні та виготовленні модельного оснащення та кокілів і впроваджені на 8 підприємствах України , в т.ч.: ТОВ «НОТЕКС» (м. Бердянськ), ВАТ «АВТРАМАТ» (м. Харків), ТОВ «АВТОЗАЗ» ( м. Запоріжжя ), ТОВ « ДКТБ ім. Антонова » ( м. Київ ), ВО « ПІВДЕНМаш » (м. Днєпропетровськ), ВАТ «ХТЗ» (м. Харків), ВАТ «АРМАПРОМ» (м. Суми), ДП ХМЗ «ФЕД» ( м. Харків) з економічним ефектом 100 тис. грн./р.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Таран Б.П., Витязев Ю.Б., Тринева Т.Л. Реальное применение стереолитографии в литейном производстве // Процессы литья. Киев. 2003. № 4. С. 4446.

2. Тринева Т.Л. Rapid Prototyping (RP). Технологии получения твердотельных 3D CAD моделей // Восточноевропейский журнал передовых технологий. Харьков 2004. № 6. С. 3740.

3. Таран Б.П., Триньова Т.Л. Упровадження прогресивних технологій в ливарне виробництво в поєднанні з традиційними // Вiсник Нацiонального технiчного унiверситету «Харкiвський полiтехнiчний iнститут». Micro CAD2005. Харкiв. 2005. № 23. С.181185.

4. Таран Б.П., Триньова Т.Л., Малахов В.В. Розрахунок розмірів модельного модуля за допомогою розмірних ланцюгів // Вiсник Нацiонального технiчного унiверситету «Харкiвський полiтехнiчний iнститут». Micro CAD2005. Харкiв. 2005. № 24. С.191196.

5. Таран C.Б., Таран Б.П., Триньова Т.Л. Перспективні матеріали формоутворюючих елементів пресформ і кокілів // Вiсник Нацiонального технiчного унiверситету «Харківський політехнiчний iнститут». Micro CAD2005. Харкiв. 2005. № 24. С. 3537.

6. Пат. 74183 UA, Україна, В22С7/00, В22С7/04, В22С7/06. Пристрiй для оснащення в технологiї утворення ливарної форми /його варіанти/ // Чернишов C.I., Вiтязєв Ю.Б., Барков В.В., Триньова Т.Л.; ДМетАУ. №2002108310; Заява 21.10.02; Опубл. 15.11.05, Бюл. № 11. 8 с.

7. Пат. 74257 UA, Україна, В22С9/00, В28В11/00, В32В18/00. Спосіб виготовлення керамічної форми // Чернишов C.I., Вiтязєв Ю.Б., Триньов О.П., Триньова Т.Л., Конотопов В.С., Антипенко В.Ф.; ДМетАУ. №20031110336; Заява 17.11.03;Опубл.15.11.05, Бюл. № 11. 5 с.

8. Пат. 77767 UA, Україна, МПК (2006) В22F3/12, В22F3/24, В22F3/26, В22С9/00. Спосіб виготовлення порожнистих пресформ методом лазерного порошкового спікання // Чернишов C.I., Вiтязєв Ю.Б., Таран Б.П., Акiмов О.В., Садовниченко Є.О., Триньова Т.Л.; ДМетАУ.№20041007994; Заява 04.10.04; Опубл. 15.01.07, Бюл. № 1. 9 с.

АНОТАЦІЯ

Триньова Т.Л. Технологічні процеси виготовлення ливарного оснащення з використанням методів швидкого прототипування. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.04 ливарне виробництво. Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, 2009 р.

У дисертації вирішена важлива науковотехнічна проблема ливарного виробництва отримання точних і якісних виливків, шляхом використання високоточного ливарного оснащення виготовленого з матеріалів, що використовують технологгії швидкого прототипування завдяки можливостям даних технологій.

Запропоновано використання вставок, одержаних методом селективного лазерного спікання КМ, для кокільного оснащення литва алюмінієвих сплавів, що дозволить досягти отримання якісних виливків як по щільності, так і по розмірній точності за рахунок здатності регулювання умов процесу твердіння виливків.

Введено поняття поправочного коефіцієнту відхилень Кв, як впливаючого чинника на точність і якість виготовлення ливарного оснащення, визначені його кількісні значення до кожного засобу розглянутих технологій швидкого прототипування та їх матеріалів, а також, доведена необхідність його врахування на стадії проектування ливарного оснащення та його виготовлення. Зроблено застереження, до розташування 3D моделей, елементів однієп збірки ливарного оснащення, котрі, обовґязково, повинні розташовуватися в одній вісі координат Х, Y, Z столу побудови установки, мінімізуючи цим, відхилення обраного способу побудови.

Доведено доцільність виготовлення ливарного оснащення з використанням можливостей технологій швидкого прототипування, та їх матеріалів, на прикладі розроблених варіантів модельного оснащення «Модельного модуля», на що отримано патент України, у співавторстві.

Також, наведені варіанти отримання точного ливарного оснащення, отриманного іншими засобами, розглянутих технологій швидкого прототипування.

Ключові слова: технологія швидкого прототипування (Rapid Prototyping), поправочний коефіцієнт відхилення Кв, 3D моделі, стіл побудови установки, композитний матеріал КМ, армуюча фаза АФ, матричний спав МС, метод стереолітографії, метод селективного лазерного спікання, Quick Cast технологія.

АННОТАЦИЯ

Тринева Т.Л. Технологические процессы изготовления литейной оснастки с использованием методов быстрого прототипирования. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 литейное производство. Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, 2009 г.

В диссертации решена важная научнотехническая проблема литейного производства получение точных и качественных отливок путем совершенствования технологических процессов проектирования и изготовления литейной оснастки, совмещая традиционные методы с особенностями построения и возможностями технологий быстрого прототипирования.

Проведены исследования по изучению свойств фотополимерной смолы, как материала предназначенного для выжигаемых моделей по Quick Cast технологии.

Определены четыре состояния изменения фотополимерной смолы в температурном интервале от 20°C до 300°C, что позволило оптимизировать тепловой режим выжигания Quick Cast моделей, и определить состав среды выжигания для минимизации коксообразования, применяя принцип термоудара и окисление образовавшихся продуктов термодеструкции.

Приведены рекомендации по применению материалов из полиамидных порошков для модельной оснастки, работающих при невысоких температурах, рекомендуемой как для ручной, машинной, импульсной формовок в песчаноглинистые формы. Приведены примеры применения полиамидных материалов в качестве материалов по изготовлению прессформ для выплавляемых моделей, а также для изготовления резиновых изделий, с учетом поправочного коэффициента отклонений при проектировании, а также рекомендации по расположению элементов сборки прессформ на столе построения установок, для получения литейной оснастки заданной точности.

В связи с тем, что КМ, рекомендуемые в качестве формообразующих элементов как кокилей так и прессформ работают в условиях сложного термоциклического нагружения, проведены специальные исследования термостойкости этих материалов.

На этой основе определены предельные температурные условия работоспособности предлагаемых материалов и исследован механизм образования трещин термической усталости КМ, установлено, что в начале термоциклирования образцов под действием термических напряжений появляются микротрещины, которые увеличиваются от цикла к циклу их развитие приводит к росту крупных магистральных усталостных трещин, которые существенно влияют на ресурс оснастки, поэтому для повышения термостойкости формы предложено инфильтрацию металлического каркаса АФ проводить из материалов, которые способствуют повышению свойств КМ, предлагаемых для изготовления литейной оснастки. В данном случае для получения литейной оснастки с повышенным сроком службы предложено инфильтрацию проводить хромистой бронзой, как материалом с высокими эксплуатационными свойствами.

Введено понятие поправочного коэффициента отклонений размеров Ко, как влияющего фактора на точность и качество изготовления отливок. Определены его количественные значения для каждого типа технологий, рассматриваемых установок и их материалов. Доказана необходимость его учета на стадии проектирования литейной оснастки, минимизируя этим размерные отклонения для всех рекомендованых способов быстрого прототипирования.

В диссертации предлагается вести расчет условий кристаллизации сплавов в температурном интервале затвердевания заливаемого сплава, достоверность чего подтверждается приведенным расчетом коэффициентов термического расширения взаимодействующих материалов системы: «отливкаформасреда».

Исходя из приведенного в диссертации графика кривых коэффициентов термического расширения взаимодействующих материалов системы предложено, для повышения стойкости формы, величину зазора между вставкой и матрицей, выбирать с учетом максимального значения коэффициента термического расширения материала вставки, что позволит увеличить срок службы литейной оснастки за счет устранения факторов, влияющих на разрушение матрицы и вставки.

Определены наиболее эффективные варианты проектирования литейной оснастки на что получено три патента Украины, в соавторстве.

Примененяя расчет размерных цепей с учетом поправочного коэффициента отклонений Ко, на примере варианта изготовления монолитной модельной оснастки, доказана целесообразность использования этих расчетов для изготовления высокоточной литейной оснастки.

Проведено сравнительное компьютерное моделирование процесса затвердевания алюминиевого сплава в кокиле с вставками из чугуна и предлагаемого КМ, которое показало увеличение скорости кристаллизации отливки в форме из КМ в 1,5 раза выше, чем из чугуна.

Совокупность применения созданных материалов и технологий позволит решить проблему литейного производства быстрого изготовления высокотехнологичной литейной оснастки с продолжительным сроком службы, способной воспроизводить качественные отливки как по их плотности, размерной точности и шероховатости поверхности, что позволяет минимизировать припуски на механическую обработку и получать отливки с выходом годного до 98%.

Ключевые слова: технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), поправочный коэффициент отклонений Ко, 3D модели, стол построения установки, композитный материал КМ, армирующая фаза АФ, матричный сплав МС, метод стереолитографии, метод селективного лазерного спекания, Quick Cast технология.

SUMMARY

Trineva T.L. The Technological processes of the fabrication of the foundry rigwith use the methods quick prototipirovaniya. The Manuscript.

The Thesis on competition degree candidate of the technical sciences on speciality 05.16.04 Foundry production. National technical university "At the Kharkiv Polytechnical Institute ", Kharkiv, 2009 y.

In thesises is solved important research problem foundry machine production a reception exact and qualitative casting by way designed variants to adaptation technology quick prototypirovaniya (RP) when designing and fabrication of the foundry rig.

The Incorporated notion of the corrective factor of the deflections Ko, as affecting factor on accu racy and workmanship of the casting, are determined his(its) amounting importances for each type technology considered installation and their materials, as well, as is proved need of his(its) account on stage of the designing of the rig and her(its) fabrications (definitely place 3D models of the foundry rig on axises X, Y, Z table of the building of the installation), minimizing this, threads of the selected way of the building, applicable installation and their material that is reflected on geometries building form surfaces of the casting, dimensioned accuracy, as well as building element of the foundry rig.

The most efficient variants of the designing foundry attachment stack are Determined with using the calculation of the dimensioned chains, taking into account adjustment factor deflections Ko, on example "Model module" a variant of the model rig, offered by competitor, as possibility of the use technology quick prototypirovaniya for fabrication of the foundry rig, on that is received patent of the Ukraine in coauthorship.

Also, broughted variants of the reception of the exact foundry rig, got other way, con sidered technology quick prototypirovaniya.

The Keywords: technology quick prototyping (Rapid Prototyping), corrective factor of the deflections Ko, 3D models, table of the building of the installation, compozisheon materialeКМ, konstruksheon fezeАF, маtrezeМС, method stereolitography, method selecktive lazer stoving, Quick Cast technology.

Размещено на Allbest.ru