Разработка и внедрение технологии получения и применения безводной формовочной смеси и легкоплавкого сплава для литья штампов

Характерной особенностью современного машиностроения является непрерывное и быстрое видоизменение объектов производства, связанное с совершенствованием существующей конструкции и внедрением новых конструкционных решений. При создании нового автомобиля одним из важнейших факторов являются сокращение стоимости и сроков на разработку при улучшении качества и функциональности продукции. С этой целью необходимо, чтобы в минимальные сроки был изготовлен прототип новой модели. Создание прототипов сопровождается изготовлением большого количества технологической оснастки (штампы, пресс-формы, приспособления) и на современном этапе требует применения гибких технологий, позволяющих оптимизировать конструкцию и сократить сроки на их изготовление.

Штампы и штамповая оснастка изготавливаются слесарно-механической обработкой поковок и литьем. Изготовление штампов литьем позволяет значительно повысить коэффициент использования металла (КИМ) и снизить трудозатраты на их изготовление. Литейные процессы позволяющие получать литые заготовки штампов, максимально приближенные по размерам, конфигурации, качеству поверхности к готовым изделиям, позволяют не только уменьшить затраты на механическую обработку, но и сократить срокг изготовления штампов, а следовательно ускорить выпуск нового автомобиля. Возможности изготовления таких отливок определяются уровнем литейной технологии.

В настоящее время большое развитие получили технологии изготовления литейных форм, основанные на химических и физических методах затвердевания смесей. Среди них успешно развиваются и применяются смеси на холоднотвердеющих синтетических смолах (ХТС), жидкостекольные пластичные (ПСС) и жидкие смеси (ЖСС). Однако несмотря на значительное совершенствование технологий, процент бракованных отливок остается довольно высоким, велики затраты на исправление поверхности отливок.

Трудоемкость изготовления форм составляет 40 — 50%, затраты на очистку и исправление дефектов — 30 — 35% от общей трудоемкости изготовления отливок. При этом 40 — 60% дефектов отливок возникает как следствие низкого качества литейной формы [1 — 3]. Следовательно, повышение качества смесей и изготавливаемых из них форм, наряду с совершенствованием технологии, обеспечивающей значительное сокращение цикла производства и количества трудоемких операций, на современном этапе имеет огромное значение.

Известно, что для каждого сплава, с учетом метода изготовления литейной формы, подбирают формовочную смесь с комплексом необходимых технологических и термомеханических свойств. Нет универсальных смесей, поэтому необходимо постоянно совершенствовать составы, находить оригинальные решения применительно к конкретной номенклатуре отливок ц реальным условиям производства.

Настоящая диссертация посвящена проблеме получения литых штампов из легкоплавких сплавов, обладающих минимальными шероховатостью и припусками, с использованием форм из безводной формовочной смеси (БФС).

Актуальность затронутой в диссертации проблемы вызвана невозможностью применения в условиях мелкого и опытного производств традиционных средств и способов изготовления штампов, сложившихся в серийных производствах. Затраты на дорогие и трудоемкие стационарные штампы (чугунные, стальные), отнесенные к небольшим партиям деталей, во много раз увеличивают себестоимость продукции, а их работоспособность используется в незначительной степени. Сроки проектирования и изготовления стационарных штампов оказываются настолько значительными, что многие изделия к моменту окончания периода их освоения становятся морально устаревшими. г.

Становится понятным, что в условиях мелкосерийного производства должны применяться специфические конструкции штампов, а также материалы и технологии их получения, позволяющие снизить время и расходы на их изготовление. Так, если традиционные штампы (чугунные, стальные) получают в большинстве случаев литьем в формы из дорогостоящих термореактивных и холоднотвердеющих смесей, то в условиях мелкосерийного производства экономически оправданным является применение специальных формовочных смесей и сплавов с температурой плавления (tnjI 80 — 400 °С). Такие материалы должны обеспечивать снижение времени и расходов на изготовление штампов, тем самым, сокращая время и расходы на производство нового автомобиля.

Цель работы. Исследование и разработка технологии изготовления безводной песчано-глинистой смеси и форм для получения высокоточных литых штампов из легкоплавких сплавов, обладающих минимальными шероховатостью и припусками, и их применение в мелкосерийном и опытном производствах легкового автомобилестроения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить влияние химического состава на физико-механические и технологические свойства легкоплавких сплавов системы Bi-Sn.

2. Исследовать влияние исходных формовочных материалов на физико-механические и технологические свойства и разработать базовые составы БФС.

3. Исследовать влияние параметров введения и перемешивания исходных компонентов на свойства БФС. Изучить влияние режимов уплотнения на свойства БФС.

4. Исследовать влияние качества углеводородных жидкостей на многократность использования (оборачиваемость) БФС и увеличить ресурс их оборачиваемости.

5. Изучить механизм смесеобразования и упрочнения БФС и сформулировать критерии их оптимизации.

6. Разработать опытно-промышленные технологии приготовления легкоплавкого сплава и безводной формовочной смеси.

Научная новизна:

1. Установлено влияние химического состава легкоплавких сплавов на основе системы Bi-Sn на их структуру и механические свойства. Выявлено, что микролегирование сурьмой околоэвтектических сплавов системы Bi-Sn позволяет сформировать в них ярковыраженную дендритную структуру и повысить их температуру плавления. Показано, что дополнительное легирование данной группы сплавов никелем и/или медью позволяет измельчить их структуру и повысить твердость.

2. Выявлена зависимость влияния количества органобентонита (ОБ) в составе БФС на ее технологические параметры. Показано, что уплотняемость-и прочность БФС растут при увеличении содержания ОБ и после достижения экстремума начинают снижаться, а осыпаемость, наоборот — увеличиваться. Установлена зависимость газопроницаемости БФС от количества ОБ.

3. Определено влияние параметров исходных формовочных материалов на свойства БФС, в рамках которого оптимизированы параметры формовочного песка — размер зерна, содержание глинистой составляющей, влажностьколичества углеводородной жидкости (УВЖ) — железо-окисного пигментапылевидного кварцарежимов перемешивания. Показано, что величина зерна формовочного песка имеет обратную зависимость от количества связующей добавки.

4. Установлен механизм смесеобразования и упрочнения БФС, составлена его физическая модель. Показано, что данный механизм можно представить в виде трех основных этапов. Сформулированы критерии оптимизации БФС.

5″. Выявлено влияние модифицирующих добавок на степень диспергирования органобентонита в углеводородной среде. Показано, что сочетание таких добавок как олеиновая кислота, диоктилфталат, экстракт селективной очистки ПН-бк в составе УВЖ, обеспечивает наилучшую диспергируемость органобентонита в углеводородной среде, благодаря чему многократность использования (оборачиваемость) БФС значительно возрастает.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработаны и внедрены в условиях экспериментального производства ОАО «АВТОВАЗ» составы, технологии приготовления и контроля качества безводной формовочной смеси.

2. Получен состав легкоплавкого сплава и разработана технология его приготовления.

3v Предложена методика оценки оборачиваемости БФС, позволяющая оценить многократность использования этой формовочной смеси.

4. Создана углеводородная жидкость марки ЖТ-20 (ТУ 38.4 011 183−2008) для составов БФС, позволяющая повысить оборачиваемость безводных смесей.

5. Разработана и внедрена в учебный процесс на кафедре ТЛП СамГТУ лабораторная работа «Исследование безводных формовочных смесей на основе органобентонита».

На защиту выносятся:

1. Закономерности влияния химического состава на структуру и механические свойства легкоплавких сплавов на основе системы Bi-Sn.

2. Зависимости влияния исходных материалов на свойства безводной формовочной смеси.

3. Особенности режимов приготовления и уплотнения безводных формовочных смесей.

4. Результаты изучения влияния качества различных углеводородных жидкостей на степень диспергирования органобентонита и многократность использования (оборачиваемость) безводных формовочных смесей.

5. Описание процесса получения связующей композиции на основе органобентонита и углеводородной жидкости, а также механизма смесеобразования и упрочнения безводных формовочных смесей.

Достоверность. Достоверность полученных в работе результатов исследований обеспечивается применением комплекса современного оборудования и методик исследований, сравнением результатов лабораторных испытаний с результатами производственных испытаний, а также использованием методов статистической обработки результатов экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7 и 8 съездах литейщиков России (Новосибирск, 2005, Ростов-на-Дону, 2007), научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2005), III Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Моск.ва, 2005), II Международной школе «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2006), 6 Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2006), IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2007).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 печатных работах, из которых — 2 опубликованы в изданиях из Перечня ВАК и 7 в материалах международных и общероссийских конференций. Подана заявка на изобретение № 2 008 123 693 «Формовочная смесь».

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключенияизложена на 177 страницах, включая 55 рисунков, 70 таблиц и список литературы из 116 источников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Изучено влияние легирующих элементов Sb, Си, Ni на микроструктуру и физико-механические свойства сплава системы Bi-Sn и определено оптимальное содержание в сплаве этих элементов. Установлено, что увеличение содержания Sb от 0,5 до 1,0% способствует измельчению эвтектики Bi-Sn и повышает температуру плавления сплава на 2,0 — 3,0 °С. Увеличение содержания Си с 0,1 до 1,0% в составе легкоплавкого сплава приводит к повышению температуры плавления на 3 °C п твердости на 15%.

Введение

Ni в систему Bi-Sn-Sb в пределах 0,1 — 1,0% приводит г незначительному увеличению температуры плавления сплава на 2 °C и твердости на 10%. В результате проведенной работы разработан состав легкоплавкого сплава для литья штамповой оснастки в условиях мелкосерийного и опытного производств, являющийся альтернативным материалом легкоплавкому сплаву марки МСР-137 (ф. «НЕК GmbH», Германия) и отличающийся от импортного отсутствием в составе драгоценных и редких металлов.

2. Изучены влияния исходных материалов на физико-механические и технологические свойства БФС. Определены ключевые характеристики качества исходных материалов (кварцевых песков, органобентонитов, углеводородных жидкостей). Предложены основные критерии оптимизации БФС, заключающиеся в применении исходных материалов следующего качества: кварцевые пески — Г. С < 1%, W < 0,5%, органобентонитыфракция 71 — 100 мкм, углеводородные жидкости с комплексом специальных полярных добавок, т.к. олеиновая кислота, диоктилфталат, экстракт селективной очистки ПН-бк, а также в соблюдении рациональной последовательности ввода исходных компонентов и оптимальном времени нх перемешивания — 20−25 мин.

3 у Разработаны и оптимизированы составы БФС с использованием отечественных исходных материалов и специально разработанной углеводородной жидкости марки ЖТ-20 (ТУ 38.4 011 183−2008). Проведенная оптимизация и использование в составах БФС углеводородной жидкости марки ЖТ-20 позволили повысить прочность смесей на 20% и исключить их осыпаемость, а также обеспечить стабильность этих свойств при многократном использовании смесей.

4. Установлено, что добавление в составы БФС мелкодисперсных фракций железоокисного пигмента, пылевидного кварца позволяет уменьшить шероховатость поверхности отливок в 1,5 раза. Использование этих добавок в составах БФС, за счет увеличения теплопроводности смесей, а, следовательно, увеличения скорости охлаждения отливок, позволяет получать более мелкозернистую структуру отливок. 5. Изучены процессы получения связующей композиции на основе органобентонита и углеводородной жидкости, а также механизмы смесеобразования и упрочнения БФС. Показано, что образование связующей композиции проходит в два этапа: набухание органобентонита в углеводородной жидкостидиспергирование с помощью усилий сдвига (перемешивания). Механизм смесеобразования можно представить в виде трех основных этапов: I — равномерное распределении связующегоII — процесс смачивания и диспергирования органобентонита в углеводородной среде и образование связующих оболочекIII — образование равномерных связующих оболочек оптимальной толщины и увеличение числа стыковых' контактов, формирование оптимальных свойств БФС за счет равномерного распределения связующей композиции по зернам наполнителя.

6. Разработана опытно-промышленная технология изготовления БФС: Определен состав необходимого смесеприготовительного и вспомогательного оборудования. Определены основные технологические параметры приготовления легкоплавкого сплава. Разработаны и внедрены на ОАО «АВТОВАЗ» две технологические инструкции по приготовлению и.

166 контролю качества БФС (№№ и 30 000. 37.101.0077−2007, И 32 500.37.101.0185−2007). Применение разработанной безводной формовочной С смеси позволяет сократить в 2,5 раза затраты на закупку импортного аналога БФС (ф. «НЕК GmbH», Германия). При годовом потреблении разработанной БФС в количестве 20 т ожидаемая экономия составит 404 080 руб.

7. Разработаны и внедрены в учебном процессе на кафедре ТЛП СамГТУ методические указания к лабораторной работе «Исследование безводных формовочных смесей на основе органобентонита».

8. Проведенные работы позволили внедрить технологии изготовления легкоплавкого сплава и безводной формовочной смеси, которые позволяют сократить сроки изготовления прототипов новых моделей автомобидей «ВАЗ».