Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  4.3 Некоторые аспекты использования низкочастотной виброобработки в промышленных условиях

Полученные в предыдущем разделе результаты исследований достаточно убедительно продемонстрировали широкие возможности виброобработки отливок для повышения или стабилизации их качества. Поэтому дальнейшее развитие технологического приема "виброобработка с целью повышения качества" осуществлялось в направлении расширения его промышленного использования для различных типов отливок в условиях специализированных литейных цехов. Как уже было показано ранее, виброобработка обеспечивает достижение определенных положительных эффектов по целому ряду показателей. Однако, для каждого из таких качественных критериев оптимальные режимы виброобработки могут существенно отличаться, что соответственно предопределяет необходимость проведения предварительного системного анализа, включающего в себя определение взаимосвязи между видами дефектов, возможными факторами, влияющими на их развитие, и принципами выбора режимов обработки на базе рассмотренных механизмов воздействия вибрации на процессы затвердевания. Общая схема такого анализа, сформулированная на базе выполненных в работе исследований и разработанных моделей влияния внешнего воздействия на процессы затвердевания, приведена в табл.4.2.

Вид дефекта Основные причины возникновения Возможные механизмы вибровоздействия
A. Дефекты поверхности: шероховатость, спай, заливы, неслитины, недоливы,
складчатость и т.п.
Низкая температура заливки расплава, малая скорость заливки форм, сложная геометрическая форма отливки Повышение жидкотекучести расплава при виброобработке
Б. Дефекты тела: раковины усадочные, ужимины Недостаточное питание отливки в ходе затвердевания, перегрев металла Увеличение частиц твердой фазы и их рост в расплаве при принудительном перемешивании
раковины газовые Повышенное содержание газов в расплаве Ускорение газовыделения обработкой в режиме кавитации
трещины горячие Неравномерное охлаждение и затрудненная усадка Обработка в режимах, повышающих упругие и пластические свойства металла
В. Дефекты размеров и формы Неравномерное охлаждение и затрудненная усадка Вибростабилизирующая обработка после выбивки и обрубки
Г. Дефекты материала Развитие ликвации и неравномерное охлаждение Принудительное перемешивание жидкой фазы в режиме кавитации

Для промышленных литейных цехов с установившейся технологией литья и сортаментом отливок всегда существует определенная группа критериев требуемого качества изделий в зависимости от их назначения и соответствующая информация по браку в соответствии с этими критериями. При этом использование виброобработки как дополнительной технологической операции требует ее совмещения с общей технологической схемой с последующим анализом результатов воздействия на качество отливки по всем требуемым критериям. На основании вышеизложенных соображений представляется целесообразным предложить следующую общую последовательность операций, обеспечивающую разработку технологии виброобработки для повышения качества отливок (табл. 4.2.).

а) анализ причин образования дефектов в заданной кон-струкции промышленной отливке (объекта исследований) и выделение в ней отдельных характерных зон, в наибольшей степени пораженных дефектами, соответствующими браку изделия;

б) предварительный выбор нескольких альтернативных режимов виброобработки, которые могли бы обеспечить повышение качества (в соответствии с рекомендациями табл. 4.2);

в) проведение на опытных отливках экспериментальных исследований, охватывающих все предлагаемые диапазоны вибровоздействия, с последующим анализом качества отливок как по принятым в цехе критериям, так и по основным видам дефектов, которые могут возникнуть в ходе вибровоздействия (физическая неоднородность, микропористость и пр.);

г) выделением области рациональных параметров воздействия на основании результатов контроля качества отливок в соответствии с существующими требованиями качества изделия;

д) отработка технологического процесса вибровоздействия на промышленных отливках в соответствии с полученными рекомендациями по рациональным параметрами вибровоздействия;

е) общая корректировка технологического процесса производства отливок в цехе в соответствии с достигнутыми показателями повышения качества отливок по требуемым качественным показателям.

Рассмотренные в настоящей работе закономерности управления качеством отливок с применением метода вибрационного воздействия были успешно использованы в условиях ряда промышленных литейных цехов машиностроительных заводов для нескольких типов отливок, имеющих различные типы дефектов и брака.

В условиях Кишлинского машиностроительного завода нефтепромыслового оборудования (г. Баку, Азербайджан) была разработана и внедрена технология виброобработки деталей типа "корпус" (корпус редуктора, крышка редуктора и т.п.) массой от 50 кг до 2 т из серого чугуна СЧ12, СЧ15. При используемой на заводе технологии основными причинами низкого качества и отбраковки отливок являются повышенная газовая пористость, неслитин, спаи и складчатость. На основании выполненных исследований было принято, что причинами возникновения неслитин, спаев и складчатости в отливках корпусов является недостаточная скорость заполнения полости литейной формы жидким чугуном, что связано с уменьшением жидкотекучести сплава при падении температуры в процессе движения. При этом увеличение температуры заливки обеспечило некоторое снижение этого вида брака, но при этом значительно возросло число отливок, отбракованных по усадочным дефектам (усадочные раковины и пористость). С точки зрения подавления газовой пористости было принято, что целесообразно интенсифицировать процесс выделения газов посредством стимулирования кавитационного эффекта в условиях равномерного охлаждения тела отливки, обеспечивающего более полный отвод пузырьков газа из металла в процессе заполнения формы и затвердевания.

Было принято, что предпочтительным диапазоном воздействия может быть вибрация с частотой 23-30 Гц и амплитудой колебаний, обеспечивающей развитие кавитационных процессов (порядка 0,47-0,55 мм). Принципиальная схема виброобработки отливок при затвердевании, существенным отличием которой является расположение нескольких опок одновременно (4-10 штук) на рельсах с резиновыми прокладками, обеспечивающими эффективную передачу виброколебаний приведена на рис. 4.7. а.

На стадии определения рациональных режимов воздействия были получены партии отливок, подвергнутые виброобработке на разных частотах. Установлено, что при виброобработке с частотой 20-30 Гц (амплитуда колебаний 0,50-0,55 мм) брак отливок практически полностью отсутствовал. При частоте виброобработки от 5 до 15 Гц характеристики опытных и сравнительных отливок практически не отличались, а при частоте более 40-60 Гц отмечено снижение плотности, твердости и предела прочности на разрыв в образцах, отобранных из опытных отливок. Как показали штатные ис-пытания, проводимые ОТК, брак в опытной партии отливок (объем выборки - 38 штук) практически полностью отсутствовал, в то время как в сравнительной партии отливок (объем выборки - 42 штуки) брак по неслитинам на нижней стенке или спаям составил 22-24%, а по газовым раковинам в посадочных гнездах подшипниковых узлов - 13-14%. В целом же внедрение виброобработки в технологическую линию на Кишлинском заводе позволило снизить себестоимость отливок в среднем на 4-6% за счет устранения брака отливок по критериям "газовая пористость", "неслитины, спаи и складчатость".

Проблема снижения количества брака по недоливам и спаям при одновременном обеспечении герметичности отливок была решена также и для конвейерной схемы производства в условиях участка мелкого литья литейного цеха Уфалейского завода металлургического оборудования (г. Верхний Уфалей, Россия). Исследования выполнялись для широкого спектра чугунных отливок элементов запорной аппаратуры (корпус, крышка клапана и т.п.), к качеству которых предъявляются особые требования по критерию "герметичность". В соответствии с установившейся технологической схемой (рис. 4.7, б) скорость движения конвейера составляет 0,5 м/мин. а полный цикл оборота - 145 мин. Формовка производится с использованием песчано-глинистой смеси в опоки 1, набираемые в секции по три штуки. На одной тележке одновременно могут размещаться до трех форм. Заливку форм выполняют из ковша вместимостью 200 кг последовательно от формы к форме, а емкости ковша обычно хватает на 7-8 отливок. По принятой на заводе технологии брак отливок по недоливам и спаям составлял в среднем 15-18% при отбраковке по критерию "герметичность" - 7-9% от общего числа отливок. При этом установлено, что основной причиной брака по недоливам и спаям является низкая температура чугуна (и соответственно низкая жидкотекучесть) при заливке последних порций из ковша (обычно это 25-30% от общей массы металла в ковше). Выполненные исследования по повышению температуры чугуна на выпуске показали, что действительно процент брака по недоливам и спаям несколько снижается, однако при этом наблюдался интенсивный отбел поверхности, а также увеличение отливок, пораженных усадочной пористостью и не соответствующих критерию "герметичность". В целом процент отбраковки отливок при проведении такого мероприятия не уменьшился [186].

Принципиальная схема вибрационной обработки отливок при заливке на плацу и при заливке на конвейерной линии

Рис.4.7. Принципиальная схема вибрационной обработки отливок при заливке на плацу (а) и при заливке на конвейерной линии (б): 1 – опоки; 2 – литниковая чаша, 3 – ковш; 4 т - вибратор; 5 – тележка; 6 – резиновые прокладки

При выборе рациональных параметров виброобработки было принято, что при затвердевании отливки находятся в разных условиях и заливаются металлом, имеющим различную температуру, что служит главной причиной брака. Поэтому для сравнительных исследований были выбраны следующие варианты:

  • а) обеспечение максимальной жидко текучести чугуна при заполнении формы (23-30 Гц);
  • б) обеспечение наилучших условий питания и равномерного затвердевания отливки с целью снижения пористости (30-35 Гц при развитии кавитационного эффекта).

Исследований качества были выполнены для партий отливок (10-12 штук в каждой), подвергнутых виброобработке с частотой 23 Гц или 30 Гц (амплитуда колебаний 0,55-0,60 мм). Дополнительно была получена опытная партия отливок, в которой частота виброобработки изменялась после окончания заливки формы с 23 Гц на 30 Гц. Результаты испытаний отливок, приведенные в табл. 4.3., свидетельствуют о том, что выбранные режимы виброобработки (23 Гц или 30 Гц) обеспечивают заметное снижение брака. Однако, наибольший эффект может быть достигнут при комбинированной схеме обработки последовательно на частоте 23 Гц и 30 Гц. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для формирования отливки как в процессе заливки, так и в ходе затвердевания. В дальнейшем в промышленное производство была рекомендована и внедрена комбинированная схема виброобработки чугунных отливок крышек и корпусов дроссельных клапанов типа ДГ105С и ДГ850, которая позволила достигнуть следующих качественных показателей (в числителе приведены данные для отливок, подвергнутых вибрации, в знаменателе - для отливок, полученных по традиционной схеме):

  • брак литья по недоливам и слитинам, % 2-3 / 12-15
  • брак по герметичности отливок, % 0,5-1,0 /5-8
  • брак по механообработке, % 1-2 / 4-5

В развитие исследований, направленных на повышение герметичности отливок за счет подавления усадочной пористости, на Нальчикском машиностроительном заводе (г. Нальчик, Россия) была разработана технология виброобработки ответственных стальных отливок деталей торцовых уплотнений типа МТ-140Н и УСГ, получаемых литьем по выплавляемым моделям. Такой выбор объекта исследований объясняется, прежде всего, тем фактом, что детали торцовых уплотнений работают в сложных условиях, связанных с нестационарными механическими нагрузками, агрессивностью среды, высокими гидравлическими давлениями и пр. По существу для такого рода деталей необходимо обеспечить комплексное повышение качественных показателей, обеспечивающих, в конечном счете, соответствие эксплуатационных характеристик в готовом изделии.

Таблица 4.3. Сравнение числа отбракованных отливок "крышка дроссельного клапана", полученных при различных режимах вибровоздействия

Основной причиной отбраковки литых деталей торцовых уплотнений является недостаточная их герметичность, связанная с усадочная пористость, образующаяся в результате неравномерного охлаждения отливок из-за наличия в них отдельных зон, имеющих большую разницу в толщине тела. При этом окончательная проверка качества деталей после механической обработки осуществляется непосредственно на заводе на специальном стенде путем тестирования на герметичность готового торцового уплотнения в сборе или избыточном давлении газа 0,3 Мпа.

Схема опытно-промышленного вибростенда, для обработки стальных отливок приведена на рис. 4.8 [187]. Виброобработку начинали непосредственно перед заливкой и продолжали в течение 180-300 секунд после ее окончания. Учитывая несимметричное приложение вибрации к плите, контроль величины амплитуды колебаний осуществлялся в восьми точках. Дополнительно оценивали амплитудные характеристики непосредственно на кромке литейной формы. Показано, что предложенная схема виброобработки обеспечивает сравнительно равномерное распределение колебаний по всей площади плиты (колебания в измерениях составили не более 12%).

Схема стенда для виброобработки отливок деталей торцовых уплотнений

Рис. 4.8. Схема стенда для виброобработки отливок деталей торцовых уплотнений: I-вибратор; 2- электродвигатель; 3-плита; 4-уголок; 5-резиновые прокладки; 7-муфели; I-V111 - точки замера амплитуды колебаний

Предварительно амплитудно-частотный диапазон колебаний был выбран в соответствии с ранее рассмотренными закономерностями обеспечения режима кавитационного зародышеобразования при более равномерном затвердевании отливки в целом. Учитывая высокий коэффициент объемной усадки для стали (отливки изготавливались из сталей 35Л и 12Х18Н9ТЛ), было принято, что визуально эффективность виброобработки может быть оценена по степени осадки расплава в заливочной воронке. В дальнейшем зафиксированные таким образом частоты колебаний, обеспечивающие максимальную осадку расплава были приняты в качестве базовых для получения опытных партий отливок, качество которых оценивалось металлографическими методами исследований.

Для контроля плотности и микропористости из опытных и сравнительных отливок отбирались образцы металла из зон, наиболее подверженных образованию дефектов.

Основные результаты выполненных исследований представлены в табл.4.4. Установлено, что наибольший эффект с точки зрения снижения отбраковки торцовых уплотнений удалось достигнуть при вибрации с частотами 21 Гц и 37 Гц. Проведенные контрольные измерения твердости металла в восьми точках по сечению отливок показали, что виброобработка также обеспечивает значительное повышение физической однородности металла в теле отливки.

Таблица 4.4 - Некоторые результаты влияния виброобработки на показатели качества корпусов торцовых уплотнений

Некоторые результаты влияния виброобработки на показатели качества корпусов торцовых уплотнений

Распределение серы и макродефекты изучали по серным отпечаткам, которые позволили установить, что при применении вибрации распределение серы по сечению отливки более равномерно (без крупных частиц и скоплений серы). Также отмечено, что в опытных отливках практически отсутствует зона транскристаллизации, что свидетельствует об развитии процессов зародышеобразования в результате вибровоздействия. Поверхностные дефекты у опытных отливок наблюдались только в случае вибрации на частоте 14 Гц. В сравнительных же отливках в корковой зоне отмечены многочисленные дефекты в виде трещин, грубых скоплений серы и отслоений. Микроструктуру стали в опытных и сравнительных отливках оценивали методом подсчета пересечений границ зерен. После чего определялся средний условный диаметр зерен, а соответствующий ему номер находили по табл.1 ГОСТ 5639-82. Соотношение феррита и перлита в структуре и балл соотношения оценивались в соответствии с ГОСТ 8233-56. Установлено, что во всех исследуемых образцах соотношение феррита и перлита примерно одинаковое - 50/50(%), а балл соотношения равен 6. Полученные параметры структуры (в числителе данные, относящиеся к опытным отливкам, а в знаменателе - к сравнительным), приведенные в табл. 4.5, в целом свидетельствуют о весьма незначительном влиянии вибрации на величину микрозерна.

Таким образом, выполненные исследования показали, что вибрационная обработка отливок деталей торцового уплотнения позволяет существенно повысить качество в части устранения физической неоднородности, связанной с усадкой металла и выражающейся в виде пористости. Признана рациональной и рекомендована к промышленному внедрению частота вибрации 21 и 37 Гц в режиме развития кавитационного эффекта зародышеобразования. По результатам исследований на участке мелкого литья Нальчикского машиностроительного завода сооружена установка виброкомплекса и разработана промышленная технология.

Полученные положительные результаты по подавлению усадочных дефектов в стальных отливках ответственного назначения были распространены на Ишимбайский машиностроительный завод нефтепромыслового оборудования (г. Ишимбай, Башкирия). Известно, что производство отливок промыслового оборудования и, их последующая эксплуатация изделий из них обладают рядом специфических особенностей, главными из которых следует считать значительное удаление заводов-производителей оборудования от мест их последующей эксплуатации. Обычно доля транспортных расходов составляет значительную часть от общей стоимости изделия, что существенно повышает актуальность мероприятий по предотвращению брака продукции непосредственно на машиностроительном предприятии. Весьма важным также является и тот факт. Что по сортаменту продукции и совокупности требований, предъявляемых к ним в процессе эксплуатации, эти изделия зачастую не имеют промышленных аналогов в других отраслях машиностроения. Одним из основных видов продукции этого завода являются ключи, предназначенные для механизации операций свинчивания - развинчивания и удержания на весу колонны насосно-компрессорных труб при текущем ремонте скважин, эксплуатируемых всеми видами оборудования. К числу таких, ключей относятся, например, механический универсальный ключ КМУ-50М (масса ключа в сборе 360 кг), ключ для подземного ремонта скважин АПР-2ВБМ (масса ключа в сборе 240 кг), подвесной пневматический ключ ПБК-4 (масса ключа в сборе 670 кг) и пр. Производство отливок для деталей ответственного назначения на этом заводе осуществляется методом литья в оболочковые формы.

Таблица 4.5. Сравнение параметров структуры опытных и сравнительных отливок корпусов

Сравнение параметров структуры опытных и сравнительных отливок корпусов

Основными видами брака, требующими устранения, являлись различного рода ужимины в тех деталях ключей, которые работают в условиях ударных механических нагрузок. Как показали исследования деталей ключей, преждевременно вышедших из эксплуатации, разрушение несущих деталей происходит именно в тех местах, где расположены ужимины или внутренние усадочные раковины. Было принято, что возникновение вышеуказанных видов брака связано с неравномерностью охлаждения тела отливки и затрудненными условиями питания внутренних зон, затвердевающих в последнюю очередь. В соответствии с этим при предварительном выборе режимов виброобработки руководствовались принципом обеспечения процесса увеличения количества частиц твердой фазы в расплаве за счет развития кавитационного эффекта. Определение рациональных частот вибрации было осуществлено по степени осадки расплава в прибылях и в стояке литниковой системы (рис. 4.9). Вместе с тем, в ходе предварительных исследований на промышленных отливках было установлено, что для обеспечения максимального положительного эффекта целесообразно изменить конструкцию прибыльной и литниковой системы в сторону увеличения массы стояка в 2-3 раза при увеличении сечения питателей в 1,5-2,0 раза. Это объяснятся тем фактом, что для компенсации усадки и уплотнения металла в теле отливки необходимо предусмотреть дополнительную питающую порцию стали.

Для промышленной эксплуатации была рекомендована установка для виброобработки отливок в целом практически, которая была аналогична рассмотренной выше установке Нальчикского машиностроительного завода. Учитывая необходимость обработки отливок различной массы была предусмотрена возможность варьирования частоты колебаний в диапазоне 15-35 Гц, что обеспечивало подстройку частоты вибрации в ходе обработки по визуальному критерию "падение уровня металла в стояке литниковой системы".

Таким образом, выполненные промышленные исследования по виброобработке чугунных и стальных отливок ответственного назначения в литейных цехах с различными видами технологии подтвердили ее высокую эффективность в части подавления дефектов поверхности и тела, связанных с условиями заливки и питания тела отливки в ходе затвердевания.

Показано, что виброобработка в процессе заливки литейной формы обеспечивает увеличение жидкотекучести металла в 1,4-1,6 раза. Для подавления дефектов усадочного характера целесообразно начинать виброобработку непосредственно с началом заливки металла и затем продолжать ее при затвердевании в режимах развития кавитационных эффектов, обеспечивающих значительное повышение количества частиц твердой фазы в расплаве и изменяющих характер затвердевания тела отливки при улучшении условий питания. Вместе с тем, в зависимости от технологического уровня производства и требований, предъявляемых к качеству изделий, целесообразно выполнять дополнительные исследования по корректировке параметров обработки, что, безусловно, может оказаться одним из решающих факторов, обеспечивающих максимальный положительный эффект в каждом конкретном случае.

Изменение характера расположения усадочной раковины в закрытой прибыли отливки типа корпус

Рис.4.9. Изменение характера расположения усадочной раковины в закрытой прибыли отливки типа «корпус»: а – без вибрации; б – виброобработка в процессе затвердевания

  4.3 Некоторые аспекты использования низкочастотной виброобработки в промышленных условиях
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ