Определение прочности и газопроницаемости литейных форм из песчано-смоляных смесей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.744

Е. Н. ЕРЕМИН Т. В. КОВАЛЁВА И. В. МОЗГОВОЙ

Омский государственный технический университет Карагандинский государственный технический университет, Республика Казахстан

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ИЗ ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ

Экспериментально определены прочностные свойства песчано-смоля-ных форм, полученных в условиях одновременного термического воздействия и статической нагрузки. Показано, что увеличение давления на смесь на 0,03...0,05 МПа в процессе формообразования повышает прочность форм, снижает шероховатость поверхности отливок.

Ключевые слова: отливки, формы, прочность, газопроницаемость, смесь, смола.

Выбор эффективных направлений технического перевооружения связан с проведением анализа технико-экономического уровня производства, определением круга точных показателей, характеризующих процесс получения отливок. Формирование эффективных направлений технического перевооружения литейного производства включает выбор необходимых для внедрения образцов новой техники, прогрессивной технологии и соответствующей им формы организации производства.

В настоящее время отливки, получаемые литьем в песчано-глинистые формы, характеризуются большим количеством различных видов брака [1]. Использование металла в литейном производстве характеризуется величиной выхода годного. Повышение точности литых заготовок снижает расход металла, приходящегося на единицу продукции, а также позволяет снизить затраты на механическую обработку заготовок.

Этому в полной мере соответствует изготовление отливок в песчано-смоляных формах. При этом основным недостатком смесей является высокая стоимость связующего [2]. Снижению содержания связующего в смеси способствует приложение давления на смесь при ее формообразовании в процессе нагрева [3].

Для изготовления оболочковых форм из песча-но-смоляной смеси изготовлена экспериментальная установка на базе формовочного полуавтомата модели 51713 и состоящая из бункера, в который засыпается песчано-смоляная смесь, печи, плиты для дополнительного статического приложения нагрузки, стола, на котором установлена электрона-греваемая модельная плита с моделью и наполнительной рамкой размерами 800x600x100 мм (рис. 1). На модельную плиту, на обратной стороне которой имелись пружинные толкатели (для того, чтобы готовую оболочковую полуформу отделить от моде-

ли) и электронагревательные приборы, устанавливали модели отливок горношахтного оборудования («Направляющая», «Лапа», «Лыжа»). Там же располагался термодатчик, с помощью которого контролировался нагрев плиты до 240 ... 260 °С. На модельную плиту с моделями отливок устанавливали опоку высотой 100 мм и по периметру совпадающую с бункером со смесью. В исходном положении модельная плита с моделями накрыта корпусом сушильной печи. Рядом располагался бункер, в который засыпали механическую смесь кварцевого песка с пульвербакелитом. Перед работой машины модельную плиту покрывали разделительным составом, который состоит из смеси воды — 100 %, диме-тилполисилоксана — 8 %, мыла хозяйственного — 3 %. При нанесении на модель, разогретую до 250 °С, разделительная смесь образовывает твёрдую и тонкую, но жаростойкую плёнку, которая сохраняется после нескольких съёмов оболочек с моделей. При включении формовочной машины печь поднималась вверх, а из бункера на модельную плиту происходит засыпка смеси. При этом на наполнительную рамку с насыпанной смесью опускалась плита, оказывая статическую нагрузку на смесь. Затем плита возвращалась в исходное состояние.

Под действием тепла модельной оснастки пуль-вербакелит в слое смеси, непосредственно прилегающей к модельной плите, плавится и смачивает зёрна песка. После формирования оболочки модельная плита возвращается в исходное положение, а модельная плита с образовавшейся оболочкой накрывается печью, внутри которой температура достигает 350 °С. Толщина оболочки при этом составляет 10 . 15 мм.

Образцы для испытания на прочность изготовлялись по технологическому процессу, в точности соответствующему процессу изготовления оболочковых форм для отливок горношахтного оборудо-

0 го

Рис. 1. Схема установки модельно-опочной оснастки: 1 — нагреваемая модель; 2 — модель отливки; 3 — опока; 4 — наполнительная рамка

Рис. 2. Зависимость газопроницаемости формы от величины прилагаемой нагрузки на ПСС и фракции песка

100 150 200 250 300

Температура нагрева смеси, °С

Рис. 3. Зависимость прочности оболочки на сжатие от температуры нагрева в процессе формообразования при различных нагрузках

вания. Толщина образцов Ь зависела от толщины предварительной засыпки песчано-смоляной смеси, времени выдержки на плите, величины давления, степени нагрева модельной плиты. Показателем прочности считали среднее арифметическое полученных результатов. Если данные одного образца отличались от среднего арифметического более чем на 10 %, то испытания повторялись.

Определяли зависимость газопроницаемости формы от величины давления, прилагаемого в процессе твердения литейной формы. Для проверки газопроницаемости печанно-смоляной смеси (ПСС) применяли общеизвестную методику испытания песчано-глинистых смесей [4]. Испытывали образцы диаметром 10 мм, которые изготовляли с помощью копра в гильзе. Также в смеси использовали разный фракционный состав песка. Исследования

показали, что кварцевый песок в соотношении марок 1К0315-70 %+1К02-30 % в большей степени соответствует величине технологической газопроницаемости (90—100 ед.) (рис. 2, табл. 1). К тому же эксперименты показали, что оптимальным является давление на смесь 0,2...0,25 МПа, при повышении которого наблюдается плотная укладка зёрен песка для всех испытываемых составов песков.

Экспериментальное определение зависимости прочности оболочки от температуры нагрева модельной плиты показало, что с увеличением температуры нагрева модельной плиты прочность оболочки повышается. Вместе с тем следует отметить, что повышение температуры нагрева свыше 300 °С приводит к выгоранию связующего и, следовательно, к разупрочнению формы. Поэтому рациональной температурой нагрева выбрана 250 °С. Состав

Таблица 1

Таблица 2

Зависимость газопроницаемости формы от величины прилагаемой нагрузки на ПСС и фракции песка

Зависимость прочности оболочки на сжатие от температуры нагрева в процессе формообразования при различных нагрузках

Газопроницаемость Г, ед. Давление Р, МПа Соотношение фракций песка

154 0,1 1К0315-100 %

135 0,2

115 0,3

97 0,4

87 0,5

135 0,1 1К0315-70 % + + 1К02-30 %

128 0,2

95 0,3

84 0,4

73 0,5

108 0,1 1К02-70 % + + 1К016-30 %

93 0,2

80 0,3

71 0,4

62 0,5

87 0,1 1К016-100 %

79 0,2

58 0,3

52 0,4

47 0,5

смеси: песок 1К02-30 %+1К0315-70 %, связующее (пульвербакелит) — 5 %. Продолжительность выдержки смеси на плите для формирования оболочки — 30 секунд. Данные этой серии экспериментов отражены на графике (рис. 3) и в табл. 2.

Экспериментальное изучение зависимости прочности оболочек от времени выдержки на модельной плите при различных величинах давления на смесь показали, что увеличение продолжительности выдержки смеси на плите повышает прочность. Данные этой серии экспериментов представлены на графике (рис. 4) и в табл. 3.

В другой серии экспериментов исследовалось влияние целесообразности увеличения давления на смесь в процессе формообразования. Определено, что при увеличении давления в процессе формообразования на 0,03.0,05 МПа отноительно начального давления (0,25 МПа) снижается шероховатость оболочек, при этом газопроницаемость остается в пределах 90.100 единиц. При дальнейшем увеличении давления наблюдается снижение газопроницаемости менее 100 ед. и некоторое увеличение шероховатости, что обусловлено выдавливанием

№ Температура нагрева смеси, °С Давление Р, МПа Прочность оболочки, асж, МПа

1 100 0,2 8,9

2 150 9,8

3 200 11,2

4 250 12,0

5 300 12,8

6 100 0,3 9,6

7 150 10,6

8 200 12,1

9 250 13,1

10 300 13,5

11 100 0,4 9,8

12 150 11,0

13 200 12,3

14 250 13,2

15 300 13,6

Таблица 3

Зависимость прочности оболочки на сжатие от времени выдержки смеси на модели в процессе формообразования при различных нагрузках

№ Время выдержки смеси на модели, с Давление на смесь Р, МПа Прочность полученной оболочки а , МПа

1 10 7,5

2 20 10,1

3 30 0,2 12,0

4 40 12,5

5 50 12,9

6 10 8,3

7 20 10,9

8 30 0,3 13,1

9 40 13,6

10 50 14,1

зёрен в уже образующейся оболочке. В табл. 4 приведены экспериментальные данные по определению оптимального давления на смесь. График зависимости шероховатости формы от изменения давления в процессе формирования оболочки

Е

X

О го

Рис. 4. Зависимость прочности на сжатие от времени выдержки смеси на модели в процессе формообразования при различных нагрузках

Таблица 4

Зависимость прочности и газопроницаемости оболочки от давления на смесь в процессе формирования оболочки

№ опыта Изменение давления АР, МПа Шероховатость формы Я1ф, мкм Прочность формы а МПа р, Газопроницаемость Г, ед. Момент повышения давления

весь процесс

через 15 с

1 0 95 4,3 126 по 0,01 МПа

2 0,01 87 4,5 124 через 5, 10,

3 0,03 73 4,6 119 20 с

по 0,01 МПа

4 0,05 67 4,8 111 каждые 5 с

по 0,025 МПа

5 0,075 68 5,1 99 через 5, 10,

20 с

6 0,09 68 5,2 91 по 0,025 МПа

через 5, 10,

20 с

Рис. 6. Зависимость газопроницаемости формы от изменения давления в процессе формирования оболочки

Рис. 7. Зависимость прочности формы от изменения давления в процессе формирования оболочки

приведён на рис. 5. Зависимости газопроницаемости формы от изменения давления в процессе формирования оболочки и прочности формы от изменения давления в процессе формирования оболочки показаны на рис. 6, 7 соответственно. Начальное давление во всех случаях составляло 0,2 МПа. Время выдержки оболочки на плите — 30 с при температуре 250 °С. Спекание оболочки происходило в электропечи при температуре 350 °С в течение 180 с. Наполнитель — песок фракций в соотношении 1К0315 — 70 % и 1К02 — 30 %. Связующее — пульвербакелит — 5 %.

Таким образом, из выше приведенных экспериментальных зависимостей следует, что изначальное приложение нагрузки 1,8 ... 2,5 МПа в процессе формообразования оболочки значительно повышает чистоту поверхности формы и её механические свойства, при снижении количества пригара на отливках, а увеличение давления на смесь (на 0,03 . 0,05 МПа относительно оптимального) в процессе формообразования снижает шероховатость оболочковых форм, не снижая при этом технологически необходимую величину газопроницаемости (100 ед.).

Использование данного способа изготовления форм экономически обосновано, так как снижается металлоёмкость отливок за счёт уменьшения толщины стенки отливок и улучшения чистоты поверхности. Полученные формы имеют равномерную плотность и толщину оболочки, а также чётко воспроизводят конфигурацию модели.

Предлагаемый метод получения форм вполне применим в промышленных условиях для изготовления отливок горношахтного оборудования.

Библиографический список

1. Кукуй, Д. М. Теория и технология литейного производства : учеб. в 2 ч. Ч. 2. Технология изготовления отливок в разовых формах / Д. М. Кукуй, В. А. Скворцов, Н. В. Андрия-нов. - Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2011. - 406 с.

2. Гини, Э. Ч. Технологии литейного производства. Специальные виды литья / Э. Ч. Гини, А. М. Зарубин, В. А. Рыбкин. — М. : Машиностроение, 2008. - 352 с.

3. О реологических свойствах песчано-смоляных форм / А. З. Исагулов, В. Ю. Куликов, Т. В. Ковалёва, Е. П. Щербакова // Литейное производство. — 2015. — № 2. — С. 15 — 17.

4. Кукуй, Д. М. Теория и технология литейного производства : учеб. в 2 ч. Ч. 1. Формовочные материалы и смеси / Д. М. Кукуй, В. А. Скворцов, Н. В. Андриянов. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2011. — 384 с.

ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, заведующий секцией оборудования и технологии сварочного производства Омского государственного технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: weld_techn@mail.ru

Е

X

О го

КОВАЛЁВА Татьяна Викторовна, преподаватель кафедры нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета, Республика Казахстан. Адрес для переписки: sagilit@mail.ru МОЗГОВОЙ Иван Васильевич, доктор технических

наук, профессор (Россия), профессор кафедры химической технологии и биотехнологии ОмГТУ.

Статья поступила в редакцию 03.06.2016 г. © Е. Н. Еремин, Т. В. Ковалёва

УДК 621.762.04-023.5

С. Н. ЛИТУНОВ В. С. СЛОБОДЕНЮК Д. В. МЕЛЬНИКОВ В. В. ФЕДЯНИН Н. С. КОЩЕЕВА

Омский государственный технический университет

ОБЗОР И АНАЛИЗ

АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. ЧАСТЬ 2

Рассмотрены различные способы и устройства 3D-печати. Предложена конструкция печатной головки 3D-принтера, использующая принцип струйной печати. Головка позволяет использовать для печати высоковязкие материалы и материалы на основе парафина. Проведен сравнительный анализ 3D-технологий с указанием их преимуществ и недостатков. Отражены основные тенденции развития отрасли в ближайшем и отдаленном будущем.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, 3D-технологии.

Данная статья является продолжением первой части обзора аддитивных технологий [1]. Ее цель — раскрыть потенциал еще не освещенных в нем технологий.

В статье описаны принципы работы, недостатки и преимущества следующих аддитивных технологий:

— стериолитография;

— цифровая светодиодная проекция;

— метод многоструйного моделирования;

— струйная трехмерная печать;

— печать способом ламинирования.

В заключительной части приведены общие тенденции развития технологий трехмерной печати. Что уже широко используется в производстве и чего стоит ожидать от трехмерных технологий в ближайшем будущем.

Стереолитография (Stereolithography, SLA-метод). Этот метод разработан и запатентован в 1986 году Чарльзом Халлом (Charles W. Hull) [2]. Впоследствии он создал компанию 3D Systems. Метод заключается в послойном нанесении жидкой фото-полимеризующейся композиции (ЖФПК) с отверждением каждого слоя лучом УФ-лазера. ЖФПК заливают в емкость, в которой и осуществляется печать изделия [3]. Для лучшего растекания ЖФПК в качестве стола используют сетчатую платформу. Толщина слоя композиции составляет 50—150 мкм, что определяется временем экспонирования и мощностью источника УФ-излучения. На рис. 1 представлена принципиальная схема работы устройства принтера, в котором реализован SLA-метод. Лазерный луч последовательно обходит контуры будущего

изделия, что приводит к полимеризации ЖФПК на поверхности материала. После формирования слоя платформа опускается (или поднимается, в зависимости от конструкции печатного устройства) и процесс повторяется.

По завершению печати остатки полимера на поверхности изделия удаляют в ванне с растворителем. Далее проводят окончательное облучение УФ-светом для завершения полимеризации. БЬА-способ требует применения поддерживающих структур.

При использовании этого метода необходимо учитывать следующее. Чем больше начальная вязкость ЖФПК, тем проще происходит полимеризация, но тем труднее нанести слой. Чем выше светочувствительность ЖФПК, тем меньше энергии требуется для полимеризации, но тем короче время его хранения.

К преимуществам данного способа можно отнести:

— высокую скорость печати (зависит от размеров модели и количества одновременно используемых лазерных головок);

— высокую точность печати;

— возможность изготовления сложных прототипов, включая тонкостенные модели.

К недостаткам относятся:

— использование токсичных материалов;

— высокая цена расходных материалов (1 л фотополимерной смолы стоит порядка $80 — $120);

— высокая стоимость принтеров (стоимость принтеров составляет $10 — $500 тыс.);

— необходимость рекуперации либо утилизации отработанных материалов (полимеров и растворителей);