CC BY
22
УДК 621.74
doi:10.21685/2072-3059-2021-1-9
Технологические возможности способов получения отливок корпусной детали с образованием внутренних полостей сложной конфигурации
Т. Н. Иванова1'2, Н. Е. Артемова3, А. Ю. Муйземнек4
Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Ижевск, Россия 2Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета, Чайковский, Россия 3,4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1гeg078829@mail.ru, 3pnzgu.tpmg@mail.ru, 4тиу7етпек@уаМех.ги
Аннотация. Актуальность и цели. Корпусные детали являются наиболее распространенными при получении их литьем. Особенностью рассматриваемой детали крышки аксиально-поршневого насоса являются сложные внутренние отверстия с криволинейной осью, имеющие общую плоскость вхождения в деталь и выхода из нее. Поэтому для получения данных отверстий в корпусе было проведено моделирование различных способов литья: литье в песчаную форму, литье в формы из холоднотвердеющих смесей, литье в кокиль, литье по выплавляемым моделям, литье по газифицируемым моделям для выявления технологически оптимального варианта изготовления сложных отверстий. Цель исследования - разработка способа получения заготовки детали крышки аксиально-поршневого насоса, при котором возможно создание внутренних отверстий с криволинейными осями без использования стержневых ящиков, вкладышей и механического вмешательства. Материалы и методы. На сложных конструктивных и технологических особенностях крышки из серого чугуна показаны достоинства и недостатки каждого из способов литья. Для литья в песчаную форму, литья в формы из холоднотвердеющих смесей, литья в кокиль, литья по выплавляемым моделям, литья по газифицируемым моделям построены 3D-модели с учетом припусков, напусков, шероховатости и точности отливок. Результаты. Произведено сравнение технологических процессов рассмотренных способов литья и времени изготовления форм, квалификации персонала. Произведен расчет коэффициента использования материала. Выводы. В результате проведенного исследования было выявлено, что самым оптимальным способом получения отливки со сложной внутренней конфигурацией является литье в формы из холоднотвердеющих смесей. Анализ исследований показал, что времени на подготовку производства отливок затрачивается меньше, а шероховатость поверхности и параметры точности размеров ниже, чем при других способах литья.
Ключевые слова: моделирование, коэффициент использования материала, литье в песчаную форму, литье в формы из холоднотвердеющих смесей, литье в кокиль, литье по выплавляемым моделям, литье по газифицируемым моделям
Для цитирования: Иванова Т. Н., Артемова Н. Е., Муйземнек А. Ю. Технологические возможности способов получения отливок корпусной детали с образованием внутренних полостей сложной конфигурации // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2021. № 1. С. 93-104. doi:10.21685/2072-3059-2021-1-9
© Иванова Т. Н., Артемова Н. Е., Муйземнек А. Ю., 2021. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
Technological possibilities of methods for obtaining cases of body parts with the formation of internal cavities of complex configuration
T.N. Ivanovau, N.E. Artemova3, A.Yu. Muyzemnek4
Udmurt Federal Research Center of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia 2Chaykovsky branch of Perm National Research Polytechnic University, Chaykovsky, Russia 34Penza State University, Penza, Russia
1reg078829@mail.ru, 3pnzgu.tpmg@mail.ru, 4muyzemnek@yandex.ru
Abstract. Background. Body parts are the most common casting parts. A feature of the considered part of the axial piston pump cover is complex internal holes with a curved axis, having a common plane of entry into and exit from the part. Therefore, in order to obtain these body holes, various casting methods were simulated: sand casting, mold casting from cold-hardening mixtures, chill casting, investment casting, gasified casting to identify the technologically optimal variant of manufacturing complex holes. Purpose: obtaining a method for obtaining a blank part of an axial piston pump cover, in which it is possible to obtain internal holes with curved axes without using core boxes, liners and mechanical intervention. Materials and methods. The complex design and technological features of the gray cast iron cover show the advantages and disadvantages of each of the casting methods. For sand casting, mold casting from cold-hardening mixtures, chill casting, investment casting, gasification casting, 3D models were built taking into account allowances, overlaps, roughness and accuracy of castings. Results. A comparison of technological processes of the considered casting methods and the time of mold production, personnel qualifications is made. The calculation of the utilization factor of the material has been made. Conclusions. As a result of the study, it was revealed that the most optimal way to obtain castings with a complex internal configuration is casting into molds from cold-hardening mixtures. The analysis of the studies showed that the time spent on preparing the production of castings is less than for other casting methods, and the surface roughness and dimensional accuracy parameters are also lower than for other casting methods.
Keywords: modeling, material utilization rate, sand casting, cold-hardening mixture casting, chill casting, investment casting, gasified casting
For citation: Ivanova T.N., Artemova N.E., Muyzemnek A.Yu. Technological possibilities of methods for obtaining cases of body parts with the formation of internal cavities of complex configuration. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnich-eskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2021;1:93-104. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2021-1-9
Введение
Использование оптимальных технологий получения заготовок изменяет металлообработку на любом этапе производства: от внедрения инновационных методов получения заготовок и проектирования изделий сложнейшей формы, до технологической наладки производственных процессов по изготовлению деталей уникальной формы.
Рассматривая крышку из серого чугуна марки СЧ151 (ГОСТ 1412-85) аксиально-поршневого насоса как заготовку сложной формы, выявили, что отливка имеет сложную конфигурацию за счет отверстий с криволинейной осью, имеющих общую плоскость вхождения в деталь и выхода из нее, при этом входное отверстие в деталь одно (рис. 1). Для выбора наиболее оптимального варианта способа получения заготовки были проанализированы показатели: материал, форма детали, масса, технические требования и объем производства. Необходимо подобрать такие способы получения заготовок, при которых возможно получение отверстий с криволинейными осями без использования стержневых ящиков, вкладышей и механического вмешательства.
Рис. 1. Деталь и модель детали в программе SolidWorks 2017
1 ГОСТ 26645-85. Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку (с изменением 1). Введ. 1987.07.01. ГОСТ 3.1121-84. Единая система технологической документации (ЕСТД). Общие требования к комплектности и оформлению документов на типовые и групповые технологические процессы (операции). Введ. 1986.01.01.
1. Постановка задач
Деталь имеет шесть сквозных отверстий диаметром 13 мм. Данные отверстия имеют шероховатость Ra = 12,5 мкм, в отличие от общей шероховатости детали Ra = 25 мкм. Отверстия обрабатываются путем сверления, зен-керования и развертывания. Сама крышка овально-прямоугольной формы, профиль высотой 40 мм и шириной 113 мм. Фронтальная сторона детали имеет 4 фаски округлой формы. У сквозных отверстий диаметром 13 мм выполнено фрезерование для образования гнезд под потайные головки крепежных элементов диаметром до 25 мм. На задней стороне детали расположены три полых отверстия диаметром 8 мм. Отверстия с криволинейными осями в технологическом процессе будут обрабатываться электрохимическим путем. После данной обработки эти отверстия получат завершенный профиль.
2. Определение рационального способа получения заготовки
Были смоделированы следующие способы получения заготовки: литье в песчаную форму, литье в формы из холоднотвердеющих смесей, литье в кокиль, литье по выплавляемым моделям, литье по газифицируемым моделям [1-10].
При литье в песчаную форму обеспечивается получение отливок массой до десяти тонн с шероховатостью поверхности = 200 мкм. Получение отверстий с криволинейными осями в процессе литья не представляется возможным, так как не удастся извлечь стержень их отливки. Кроме того, потребуется назначение большой величины припусков и напусков поверхностей отливки.
Особенность форм из холоднотвердеющих смесей заключается в том, что они становятся твердыми и прочными при температуре окружающей среды. В состав холоднотвердеющих смесей входит кварцевый песок, смола, катализатор отверждения смолы, регуляторы скорости отверждения. Данный метод литья отличается точными и гладкими поверхностями отливки, что исключает необходимость в механической обработке. При литье в формы из холоднотвердеющих смесей (ХТС) обеспечивается получение отливок массой до 500 кг с шероховатостью поверхности Яа = 25 мкм. При данном способе литья возможно получение отливки с отверстиями с криволинейными осями без использования стержней. Кроме того, возможно полное отсутствие напусков и наличие лишь припусков на поверхностях для механической обработки.
При литье в кокиль используются многооборотные формы, изготавливаемые из металла. При этом деталь сложной конфигурации не может быть отлита вместе с отверстиями с криволинейными осями, так как нельзя будет извлечь отливку из формы. При литье рассматриваемой детали в кокиль без отверстий с криволинейными осями возникнет вопрос о том, каким образом данные отверстия можно получить, это значительно усложняет технологический процесс механической обработки.
Литье по выплавляемым моделям заключается в том, что в пресс-форме изготавливают модель из легкоплавкого материала, покрывают ее огнеупорным составом, который после химического отверждения создает вокруг модели прочную оболочку; модель выплавляют, оболочковую форму прокаливают, устанавливают в контейнер, обсыпают песком или дробью для предупреждения разрушения и заливают расплавом. Оболочковые формы получают путем многократного поочередного окунания модели в суспензию, и затем ее обсыпают зернистым материалом. Модель может содержать в себе по-
лости сложной конфигурации и не требует установки стержней для их получения. После осуществления процесса литья для изъятия отливки из модели ее подвергают вибрационным или механическим воздействиям, в результате модель разрушается, высвобождая отливку.
Модели для способа литья по газифицируемым моделям изготавливаются из легких пеноматериалов, которые не удаляются из формы после формовки. Пеноматериалы остаются в литейной форме и во время заливки металла газифицируются за счет тепла расплава, заливаемого в форму. Увеличение точности отливок возможно за счет отсутствия литьевых уклонов, что уменьшает припуск на механическую обработку; отсутствие операции извлечения модели из формы сделало форму неразъемной и, как следствие, повысило точность отливок за счет устранения возможности сдвигов и перекосов отдельных частей формы относительно друг друга. Возможность исполнения внутренней конфигурации отливки полностью в модели, исключая использование стержней, упрощает процесс формовки, увеличивает точность отливки, расширяет номенклатуру сложных форм отливки.
Из-за разницы в величине напусков и припусков, а также отсутствия отверстий с криволинейными осями отливки из одного и того же материала будут иметь разные коэффициенты использования материала. На рис. 2-5 представлены модели отливок с напусками и припусками при рассмотренных выше методах получения отливок, в табл. 1 даны коэффициенты использования материала при массе детали 3,08 кг.
Рис. 2. Модель отливки, полученной методом литья в формы ХТС
Рис. 3. Модель отливки, полученной методом литья в песчаную форму
Рис. 4. Массовые характеристики отливки при литье по газифицируемым моделям
Рис. 5. Массовые характеристики при литье по выплавляемым моделям
Таблица 1
Сравнительный коэффициент использования материала
Метод получения отливки Коэффициент использования материала
Литье в песчаную форму К - 3,08 - 0 77 Ким = 3,98 = 0,77
Литье в форму из холоднотвердеющих смесей Ким - 3 7 - 0,83
Литье в кокиль к,м - 3,08 -0,78
Литье по выплавляемым моделям 0,82
Литье по газифицируемым моделям 0,81
При литье в формы из холоднотвердеющих смесей масса отливки составляет 3,7 кг. При этом профиль отверстий с криволинейными осями уже сформирован. При литье в песчаную форму без отверстий с криволинейными осями масса отливки составляет 3,98 кг. При литье в кокиль отливки такой же формы масса будет равна 3,94 кг.
Сравнительные данные параметров отливок приведены в табл. 2-4.
Таблица 2
Точность и шероховатость отливок
Способ литья Точность отливок, квалитеты Шероховатость поверхности
Литье по выплавляемым моделям 11-14 Rz 40...10
Литье по газифицируемым моделям 11-12 Rz 40.10
Литье в формы из ХТС 10-12 Ra 25.5
Таблица 3
Сравнение технологических процессов и времени изготовления форм
Показатель Литье по выплавляемым моделям Литье по газифицируемым моделям Литье в формы из ХТС
Оснастка С применением пресс-формы С применением пресс-формы С применением классической модельной оснастки
Технологический процесс 1) Изготовление модели 2) Изготовление формы 3) Выплавление модели и сушка формы 4) Прокалка формы 5) Контроль формы 6) Плавка и заливка металла 1) Изготовление модели 2) Изготовление формы и ее сборка 3) Сушка формы 4) Контроль формы 5) Плавка и заливка металла 1) Изготовление элементов формы 2) Сборка формы 3) Контроль формы 4) Плавка и заливка металла
Общий срок изготовления 2-3 месяца 1 месяц 1,5 месяца
Квалификация Требуется обученный квалифицированный персонал Высокая квалификация не требуется Требуется обученный квалифицированный персонал
Таблица 4
Припуск на механическую обработку
Способ литья Припуск на механическую доработку поверхностей фрезерованием заготовки, мм (рис. 6)
40 22 28
Литье по выплавляемым моделям 3,7 3,2 3,6
Литье по газифицируемым моделям 3,9 3,4 3,6
Литье в формы из ХТС 3,7 3,2 3,5
3. Анализ полученных результатов
Все отливки имеют примерно одинаковую размерную точность.
Единственный способ литья, не требующий высокой квалификации рабочего, - литье по газифицируемым моделям.
Лучших параметров шероховатости можно добиться литьем в формы из холоднотвердеющих смесей.
Наименьшее время на подготовку формы для отливок нового производства имеет литье в формы из холоднотвердеющих смесей.
Лучшим способом литья, при котором необходимо получить сложный профиль внутренней конфигурации, литье по газифицируемым моделям, так как нет необходимости в изъятии модели из формы.
Коэффициент использования материала примерно одинаков, но он при литье в формы из ХТС самый высокий.
Наибольшие припуски на механическую обработку имеют отливки, полученные литьем по газифицируемым моделям (рис. 6).
Рис. 6. Номинальные размеры поверхностей, на которые назначен припуск
Заключение
В результате проведенного исследования было выявлено, что самым оптимальным способом получения отливки со сложной внутренней конфигурацией является литье в формы из холоднотвердеющих смесей. Так как времени на подготовку производства отливок затрачивается меньше, а шероховатость поверхности и параметры точности размеров ниже, чем при других способах литья. Коэффициент использования материала примерно одинаков по сравнению с другими вариантами литья.
Так как предпочтительным методом получения отливки является метод литья в формы из холоднотвердеющих смесей, то был разработан чертеж заготовки (рис. 7, 8).
А-А
Рис. 7. Чертеж заготовки, вид спереди, разрез А-А
Б-Б О
Rtd-01
111*06
W
Рис. 8. Чертеж заготовки, вид сзади, разрез Б-Б
Таким образом, поиск способа получения отливок, при котором возможно образование внутренних полостей сложной конфигурации, охватил широкий спектр показателей современного заготовительного производства.
Список литературы
1. Косилова А. Г., Мещерякова Р. К. Справочник технолога машиностроителя. 6-е изд., перераб., и доп. М. : Машиностроение, 2016. Т. 2. 496 с.
2. Колокольцев В. М., Берёзова C. В., Иванова И. В., Кощеев П. В. Моделирование процесса затвердевания отливок после высокотемпературной обработки расплава // Литейщик России. 2014. № 4. С. 14-19.
3. Жуковский С. С. Холоднотвердеющие связующие и смеси для литейных стержней и форм : справочник. М. : Машиностроение, 2010. 256 с.
4. Глазман Б. С. Автоматизированное и роботизированное литье. Финишная обработка литья : монография. Ростов н/Д : Донской государственный технический университет, 2014. 138 с.
5. Гречников Ф. В., Яковишин А. С., Захаров О. В. Минимизация объема измерений при контроле цилиндрических поверхностей на основе статистического моделирования // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2017. № 4. С. 101-110.
6. Исагулов А. З., Куликов В. Ю., Laurent Ch., Твердохлебов Н. И., Щербакова Е. П. Совершенствование литья по газифицируемым моделям // Литейное производство. 2014. № 4. С. 16-18.
7. Кротиков Ю. В. О преимуществах литья по газифицируемым моделям // Литейное производство. 2013. № 5. С. 33-35.
8. Rezchikov A. F., Kochetkov A. V. and Zakharov O. V. Mathematical models for estimating the degree of influence of major factors on performance and accuracy of coordinate measuring machines. MATEC Web Conf. 2017. Vol. 129. P. 01054.
9. Андерсон В. А., Котович А. В., Луганский Н. Н., Салогор А. В. Разработка и освоение литья стальных заготовок по газифицируемым моделям взамен литья по выплавляемым моделям // Литейное производство. 2015. № 6. С. 27-32.
10. Иванова Т. Н., Ратников И. А., Муйземнек А. Ю. Совершенствование методов решения типовых конструкторских и технологических задач путем применения компьютерного моделирования // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. № 1. С. 103-112. doi:10.21685/2072-3059-2020-1-10
References
1. Kosilova A.G., Meshcheryakova R.K. Spravochnik tekhnologa mashinostroitelya = Mechanical engineer guidance. 6th ed., rev., and suppl. Moscow: Mashinostroenie, 2016;2:496. (In Russ.)
2. Kolokol'tsev V.M., Berezova C.B., Ivanova I.V., Koshcheev P.V. Modeling the process of solidification of castings after high-temperature treatment of the melt. Liteyshchik Rossii = Foundryman of Russia. 2014;4:14-19. (In Russ.)
3. Zhukovskiy S.S. Kholodnotverdeyushchie svyazuyushchie i smesi dlya liteynykh sterzhney i form: spravochnik = Cold-setting binders and mixtures for cores and molds: guidance. Moscow: Mashinostroenie, 2010:256. (In Russ.)
4. Glazman B.S. Avtomatizirovannoe i robotizirovannoe lit'e. Finishnaya obrabotka lit'ya: monografiya = Automated and robotic casting. Finishing of casting: monograph. Rostov-on-Don: Donskoy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2014:138. (In Russ.)
5. Grechnikov F.V., Yakovishin A.S., Zakharov O.V. Minimization of this measurement when inspecting cylindrical surfaces based on statistical modeling. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta = Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Mashinostroenie, materialovedenie. 2017;4:101-110. (In Russ.)
6. Isagulov A.Z., Kulikov V.Yu., Laurent Ch., Tverdokhlebov N.I., Shcherbakova E.P. Improvement of gasified casting. Liteynoe proizvodstvo = Foundry engineering. 2014;4:16-18. (In Russ.)
7. Krotikov Yu.V. On the advantages of gasified casting. Liteynoe proizvodstvo = Foundry engineering. 2013;5:33-35. (In Russ.)
8. Rezchikov A.F., Kochetkov A.V., Zakharov O.V. Mathematical models for estimating the degree of influence of major factors on performance and accuracy of coordinate measuring machines. MATEC Web Conf. 2017;129:01054.
9. Anderson V.A., Kotovich A.V., Luganskiy N.N., Salogor A.V. Development and mastering of casting steel billets using gasified models instead of casting using investment models. Liteynoe proizvodstvo = Foundry engineering. 2015;6:27-32. (In Russ.)
10. Ivanova T.N., Ratnikov I.A., Muyzemnek A.Yu. Improvement of methods for solving typical design and technological problems using computer modeling. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2020;1:103-112. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2020-1-10
Информация об авторах / Information about the authors
Татьяна Николаевна Иванова
доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, Институт механики, Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (Россия, г. Ижевск, ул. им. Татьяны Барамзиной, 34); профессор кафедры автоматизации, информационных и инженерных технологий, Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета (Россия, Пермский край, г. Чайковский, ул. Ленина, 73)
E-mail: reg078829@mail.ru
Tat'yana N. Ivanova
Doctor of engineering sciences, professor, senior staff scientist, Institute of Mechanics, Udmurt Federal Research Center of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences (34 Tatyany Baramzinoy street, Izhevsk, Russia); professor of the sub-department of automation, information and engineering technologies, Chaykovsky branch of Perm National Research Polytechnic University (73 Lenina street, Chaykovsky, Perm Krai, Russia)
Наталья Евгеньевна Артемова кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: pnzgu.tpmg@mail.ru
Natal'ya E. Artemova Candidate of engineering sciences, associate professor, associate professor of the sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Александр Юрьевич Муйземнек доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: muyzemnek@yandex.ru
Aleksandr Yu. Muyzemnek Doctor of engineering sciences, professor, head of the sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Поступила в редакцию / Received 15.01.2021
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 30.01.2021 Принята к публикации / Accepted 04.02.2021
