О литье под давлением цинковых сплавов
ART 96130
Авторы:
И.
Р. Садиков, Р.
В. Гавариев
И.
Р. Садиков, Р.
В. Гавариев Библиографическое описание статьи для цитирования:
Садиков
И.
Р.,
Гавариев
Р.
В. О литье под давлением цинковых сплавов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 15. – С.
1066–1070. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/96130.htm.
Аннотация. В статье рассматриваются особенности проектирования технологической оснастки для литья под давлением цинковых сплавов. Описаны явления, протекающие в процессе работы пресс-форм. Проанализирован имеющийся опыт по решению проблем, возникающих при проектировании пресс-форм. Намечен ряд экспериментов по изучению термостойкости материалов деталей оснастки, подверженных циклическому термомеханическому воздействию.
Текст статьи
Гавариев Ренат Вильсорович,cтарший преподаватель ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.ТуполеваКАИ» г.Набережные ЧелныGavarievr@mail.ru
Садиков Ильсур Рузалович,ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.ТуполеваКАИ» г.Набережные Челны Gogapaluza@gmail.com
О литье под давлением цинковых сплавов
Аннотация.В статье рассматриваются особенности проектирования технологической оснастки для литья под давлением цинковых сплавов. Описаны явления, протекающие в процессе работы прессформ. Проанализирован имеющийся опыт по решению проблем, возникающих при проектировании прессформ. Намечен ряд экспериментов по изучению термостойкости материалов деталей оснастки, подверженных циклическому термомеханическому воздействию.Ключевые слова:Прессформа, термостойкость, коэффициент термостойкости, литье под давлением.
При проектировании технологической оснастки для литья под давлением цветных сплавов необходимо учитывать такие факторы как: свойства заливаемого сплава, конструкция отливок, тип и характер эксплуатации оборудования и оснастки. По мнению авторов данной статьи, именно свойства заливаемого сплава в большей степени влияют на конечную конструкцию прессформы, так как именно они определяют конечные размеры деталей оснастки, а также материал, из которого они будут изготавливаться, технологические режимы процесса литьяи т.д.Поскольку, в настоящее время до 50% заготовок деталей, получаемых методом литья под давлением (ЛПД), изготавливаются из цинковых сплавов[1], то следует заострить свое внимание на изучении именно этих сплавов.Причинами для этого служат хорошие литейные свойства цинковых сплавов, низкие температуры заливки в литейную форму 380480°С, в зависимости от состава сплава, а также возможность нанесения различных покрытий на поверхности получаемых отливок.При проектировании технологической оснастки прежде всего необходимо опираться на результаты детального анализа технологического процесса ЛПД цинковых сплавов, краткие итоги которого приведены ниже.
Рис.1 Схема литья под давлением на машинах с горячей камерой прессования [3]
При ЛПД цинковых сплавов используются машины с горячей камерой прессования (рис.1). Основное достоинство таких машин заключается в том, цинковые сплавы в них не входят во взаимодействие с металлом прессовой пары и металлопровода [2]. Это объясняется тем, что в расплавленном состоянии цинк, по своим физикохимическим свойствам не входит во взаимодействие с поверхностным слоем деталей прессформы. При этом горячекамерное литье защищает получаемые отливки от газовых включений. При температуре подогрева прессформ 20400°С и перегреве жидкого металла на 0200°С, т.е. до уровня при работе без смазки температура контакта колеблется в пределах 250500°С, а температурный перепад в пределах 260100°С [1]. При этом общая деформация изменяется от 0,00012 до 0,00276 м, а температурные напряжения от 24,5 до 1000 МПа. Все это приводит к тому, что в рабочей полости прессформы возникают чередующиеся деформации сжатия и растяжения, и именно это приводит к накоплению остаточной деформации и снижению запаса пластичности. Кроме того существенное влияние на образующиеся локальные области деформирования, в которых концентрируется пластическая деформация, оказывают возникающие нестационарные температурные поля, а цикличность температур дополнительно снижает способность материала сопротивляться разрушению при термоусталости [3], [4]. Наиболее нагруженными деталями прессформы являются вкладыши и стержни. Стойкость этих деталей, в конечном счете и регламентирует стойкость прессформы в целом. Данные детали испытывают тепловые, гидродинамические и термомеханические нагрузки [1]. В свою очередь, наиболее нагруженными поверхностями матриц являются внутренние рабочие поверхности, галтельные переходы, зоны около каналов охлаждения [3], [5]. ПрессформаЛПД (рис.2) работает в условиях температурносиловых циклических воздействий (ТСЦВ). Следствием этого воздействия является термическая усталость, которая и приводит к образованию трещин на поверхности матриц с одной стороны и отпечатков в виде заусенцев игребешков на поверхности получаемых отливок с другой стороны. Рис. 2 Многоместная прессформа.
Несмотря на трудности, связанные с процессом литья под давлением, преимущества цинковых сплавов в условиях рыночной экономики создают серьезные предпосылки для расширения применения этой технологии в условиях массового и крупносерийного производства. Однако этому препятствует отсутствие надежных методик прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ.Многочисленные исследователи указанной проблемы [3, 6, 7] до сих пор основное внимание уделяли более высокотемпературным сплавам на основе меди и алюминия. Как следствие, прямое применение разработанных ими методик оценки ресурса прессформ ЛПД для цинковых сплавов без учета их специфики (свойств сплавов и особенностей технологии получения из них заготовок методом ЛПД) дает недостоверную информацию, не представляющую научной и практической ценности.Как показали результаты проведенного авторами данной работы информационноаналитического обзора, сейчас проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов на предприятиях попрежнему не решена [5].В связи с этим работы, нацеленные на создание или оптимизацию расчетных методик оценки ресурса прессформ ЛПД для литьяцинковых сплавов, вызывают интерес у производственников. Важной с теоретической точки зрения является работа [3], в которой описан экспериментальнорасчетная методика оценки эксплуатационной стойкости прессформ.В данной работе срок эксплуатации прессформы разбит на 2 периода: первый до появления первых трещин, второй рост трещин до критических размеров или до момента разрушения. Длительность первого периода, в конечном счете, основана на определении силового критерия
(1)где
температурные напряжения, действующие на металл прессформы в области пластических деформаций,
предел текучести материала.В зависимости от численного значения данного критерия определяется, каков характер повреждения. В случае
возникает термоусталостное повреждение, при квазистатическое повреждение, если же
возможно сложение термоусталостного и квазистатического повреждений. Силовой критерии дает возможность достаточно точно оценить зависимость поведения материала прессформы от воспринимаемых им напряжений. Для термоусталостного повреждения:
(2)
Для квазистатического повреждения:
(3)Для смешанного повреждения:
(4)В данных формулах величина относительной необратимой пластической деформации за цикл,
величина относительной накопленной деформации за цикл, предельная пластичность материала при температуре за цикл, m–тангенс наклона кривой температурадеформация для рассматриваемого материала.Расчет периода развития трещин докритических размеров проводится по формуле:
(5)где текущая безразмерная мера повреждений,,
коэффициент учитывающий скорость роста трещины на iом шаге нагружения,m
коэффициент наклона кривой температурадеформация»,
приведенный коэффициент асимметрии цикла на iом шаге нагружения,i
шаг нагружения,
глубина трещины за каждый шаг нагружения.Таким образом, эксплуатационная стойкость будет определяться выражением
где количество циклов до появления первых трещин,
количество циклов до появления критических размеров трещин.
Данная методика расчета с небольшими отклонениям подтвердилась практическими значениями[4]. Однако, ее применение при использовании цинковых сплавов невозможно по следующим причинам: расчет первого периода до появления первых трещин производится при малоцикловом нагружении, второй период роста трещин до критических размеров определяется на основе экспериментальных данных, полученных при использовании алюминиевых сплавов. По мнению авторов данной работы, приведенная информация позволяет сделать однозначныйвывод об актуальности проблемы, вынесенной в название, а также острой необходимости проведения теоретических и экспериментальных изысканий, направленных на ее разрешение.В работе [1] в качестве фактора, влияющего на термостойкость, предлагается тепловая деформация, т.е. смятие формообразующих поверхностей прессформ. При эксплуатации данные деформации смятия суммируются, что приводит к появлению зазоров между стыковыми поверхностями прессформ и как следствие, образованию облоя на отливаемых изделиях. В рамках известной методики И.И. Горюнова в качестве критерия оценки термостойкости материалов предлагается коэффициент охрупчивания материала прессформы за один цикл [1], [8]. Физический смысл данного коэффициента заключается в том, что при циклировании запас прочности и пластичности металла прессформы понижается в зависимости от свойств материала и термических напряжений. Для случая, когда максимальные температурные напряжения меньше предела прочности формула расчета термостойкости имеет следующий вид:
(6)где –коэффициент термостойкости, который зависит от чистоты рабочей поверхности прессформы, чувствительности материала к концентраторам напряжений, остроты надрезов (концентраторов), веса и размеров отливок и др.
–температурные напряжения;
–общая тепловая деформация;
–предел прочности материала прессформы;Однако данные, приводимые в этом же источнике для стали 3Х2В8Ф, показывают, что выведенная формула не дает возможности достаточно точно спрогнозировать стойкость прессформы для ЛПД цинковых сплавов.По мнению авторов данной работы, велика вероятность того, что наибольшее влияние на коэффициент термостойкости будутоказывать концентраторы напряжений и чистота рабочих поверхностей матриц, поскольку данные факторы определяют характер взаимодействия потока расплавленного металла с материалом прессформы. Это предположение и является базовым для разработки новой, усовершенствованной методики прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов.В случае однозначного определения зависимости коэффициента термостойкости от указанных факторов появляется возможность не только достаточно точно и адекватнопрогнозировать величину эксплуатационного ресурса прессформы, но и создать теоретические предпосылки для управления его величиной. Это, в свою очередь, позволит выработать практические рекомендации по выбору конструкции и материала прессформ для литья под давлением цинковых сплавов для повышения эксплуатационной стойкости наиболее нагруженных деталей технологической оснастки.
Ссылки на источники1.Горюнов И.И. Прессформы для литья под давлением / Справочное пособие. Л.:Машиностроение, 1973, 256с.2.Беккер М.Б. и др. Литье под давлением. М. Машиностроение, 1990.400с3.Березин Д.Т. Повышение эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением на основе анализа теплонапряженного состояния и моделирования процессов термоусталостного разрушения : дис. канд. техн. наук/ Рыбинск, 2002229с.4.Савин И.А., Леушин И.О., Ульянов В.А., Леушина Л.И. Теоретическая оценка трещиностойкости оболочковых форм точного литья, изготовленных с применением технологии низкотемпературного прокаливания//Справочник. Инженерный журнал с приложением. М.2015. № 9 (222). с. 35.5. Гавариев Р.В.,Леушин И.О.,Савин И.А. Анализ влияния теплового баланса на показатель эксплуатационной стойкости прессформ для литья под давлением //Заготовительные производства в машиностроении. М. 2016. №1. С.796.Писаренко Г.С. и др. Прочность материалов при высоких температурах. Киев.:Наукова думка, 1966 –793с.7.Синявский Д.П. Прочность и долговечность материалов при малоцикловом неизотермическом нагружении . Киев.: АНУССР, ИПЛ, 1984 67с.8. Савин И.А., Марков В.В. Нищенков А.В. Плохов С.В. Методика теоретического расчета поверхностного натяжения металлических расплавов на основе физической модели энергетического состояния жидкости//"Справочник. Инженерныйжурнал" (сприложением) М.2014. № 5. с.4852
Садиков Ильсур Рузалович,ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.ТуполеваКАИ» г.Набережные Челны Gogapaluza@gmail.com
О литье под давлением цинковых сплавов
Аннотация.В статье рассматриваются особенности проектирования технологической оснастки для литья под давлением цинковых сплавов. Описаны явления, протекающие в процессе работы прессформ. Проанализирован имеющийся опыт по решению проблем, возникающих при проектировании прессформ. Намечен ряд экспериментов по изучению термостойкости материалов деталей оснастки, подверженных циклическому термомеханическому воздействию.Ключевые слова:Прессформа, термостойкость, коэффициент термостойкости, литье под давлением.
При проектировании технологической оснастки для литья под давлением цветных сплавов необходимо учитывать такие факторы как: свойства заливаемого сплава, конструкция отливок, тип и характер эксплуатации оборудования и оснастки. По мнению авторов данной статьи, именно свойства заливаемого сплава в большей степени влияют на конечную конструкцию прессформы, так как именно они определяют конечные размеры деталей оснастки, а также материал, из которого они будут изготавливаться, технологические режимы процесса литьяи т.д.Поскольку, в настоящее время до 50% заготовок деталей, получаемых методом литья под давлением (ЛПД), изготавливаются из цинковых сплавов[1], то следует заострить свое внимание на изучении именно этих сплавов.Причинами для этого служат хорошие литейные свойства цинковых сплавов, низкие температуры заливки в литейную форму 380480°С, в зависимости от состава сплава, а также возможность нанесения различных покрытий на поверхности получаемых отливок.При проектировании технологической оснастки прежде всего необходимо опираться на результаты детального анализа технологического процесса ЛПД цинковых сплавов, краткие итоги которого приведены ниже.
Рис.1 Схема литья под давлением на машинах с горячей камерой прессования [3]
При ЛПД цинковых сплавов используются машины с горячей камерой прессования (рис.1). Основное достоинство таких машин заключается в том, цинковые сплавы в них не входят во взаимодействие с металлом прессовой пары и металлопровода [2]. Это объясняется тем, что в расплавленном состоянии цинк, по своим физикохимическим свойствам не входит во взаимодействие с поверхностным слоем деталей прессформы. При этом горячекамерное литье защищает получаемые отливки от газовых включений. При температуре подогрева прессформ 20400°С и перегреве жидкого металла на 0200°С, т.е. до уровня при работе без смазки температура контакта колеблется в пределах 250500°С, а температурный перепад в пределах 260100°С [1]. При этом общая деформация изменяется от 0,00012 до 0,00276 м, а температурные напряжения от 24,5 до 1000 МПа. Все это приводит к тому, что в рабочей полости прессформы возникают чередующиеся деформации сжатия и растяжения, и именно это приводит к накоплению остаточной деформации и снижению запаса пластичности. Кроме того существенное влияние на образующиеся локальные области деформирования, в которых концентрируется пластическая деформация, оказывают возникающие нестационарные температурные поля, а цикличность температур дополнительно снижает способность материала сопротивляться разрушению при термоусталости [3], [4]. Наиболее нагруженными деталями прессформы являются вкладыши и стержни. Стойкость этих деталей, в конечном счете и регламентирует стойкость прессформы в целом. Данные детали испытывают тепловые, гидродинамические и термомеханические нагрузки [1]. В свою очередь, наиболее нагруженными поверхностями матриц являются внутренние рабочие поверхности, галтельные переходы, зоны около каналов охлаждения [3], [5]. ПрессформаЛПД (рис.2) работает в условиях температурносиловых циклических воздействий (ТСЦВ). Следствием этого воздействия является термическая усталость, которая и приводит к образованию трещин на поверхности матриц с одной стороны и отпечатков в виде заусенцев игребешков на поверхности получаемых отливок с другой стороны. Рис. 2 Многоместная прессформа.
Несмотря на трудности, связанные с процессом литья под давлением, преимущества цинковых сплавов в условиях рыночной экономики создают серьезные предпосылки для расширения применения этой технологии в условиях массового и крупносерийного производства. Однако этому препятствует отсутствие надежных методик прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ.Многочисленные исследователи указанной проблемы [3, 6, 7] до сих пор основное внимание уделяли более высокотемпературным сплавам на основе меди и алюминия. Как следствие, прямое применение разработанных ими методик оценки ресурса прессформ ЛПД для цинковых сплавов без учета их специфики (свойств сплавов и особенностей технологии получения из них заготовок методом ЛПД) дает недостоверную информацию, не представляющую научной и практической ценности.Как показали результаты проведенного авторами данной работы информационноаналитического обзора, сейчас проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов на предприятиях попрежнему не решена [5].В связи с этим работы, нацеленные на создание или оптимизацию расчетных методик оценки ресурса прессформ ЛПД для литьяцинковых сплавов, вызывают интерес у производственников. Важной с теоретической точки зрения является работа [3], в которой описан экспериментальнорасчетная методика оценки эксплуатационной стойкости прессформ.В данной работе срок эксплуатации прессформы разбит на 2 периода: первый до появления первых трещин, второй рост трещин до критических размеров или до момента разрушения. Длительность первого периода, в конечном счете, основана на определении силового критерия
(1)где
температурные напряжения, действующие на металл прессформы в области пластических деформаций,
предел текучести материала.В зависимости от численного значения данного критерия определяется, каков характер повреждения. В случае
возникает термоусталостное повреждение, при квазистатическое повреждение, если же
возможно сложение термоусталостного и квазистатического повреждений. Силовой критерии дает возможность достаточно точно оценить зависимость поведения материала прессформы от воспринимаемых им напряжений. Для термоусталостного повреждения:
(2)
Для квазистатического повреждения:
(3)Для смешанного повреждения:
(4)В данных формулах величина относительной необратимой пластической деформации за цикл,
величина относительной накопленной деформации за цикл, предельная пластичность материала при температуре за цикл, m–тангенс наклона кривой температурадеформация для рассматриваемого материала.Расчет периода развития трещин докритических размеров проводится по формуле:
(5)где текущая безразмерная мера повреждений,,
коэффициент учитывающий скорость роста трещины на iом шаге нагружения,m
коэффициент наклона кривой температурадеформация»,
приведенный коэффициент асимметрии цикла на iом шаге нагружения,i
шаг нагружения,
глубина трещины за каждый шаг нагружения.Таким образом, эксплуатационная стойкость будет определяться выражением
где количество циклов до появления первых трещин,
количество циклов до появления критических размеров трещин.
Данная методика расчета с небольшими отклонениям подтвердилась практическими значениями[4]. Однако, ее применение при использовании цинковых сплавов невозможно по следующим причинам: расчет первого периода до появления первых трещин производится при малоцикловом нагружении, второй период роста трещин до критических размеров определяется на основе экспериментальных данных, полученных при использовании алюминиевых сплавов. По мнению авторов данной работы, приведенная информация позволяет сделать однозначныйвывод об актуальности проблемы, вынесенной в название, а также острой необходимости проведения теоретических и экспериментальных изысканий, направленных на ее разрешение.В работе [1] в качестве фактора, влияющего на термостойкость, предлагается тепловая деформация, т.е. смятие формообразующих поверхностей прессформ. При эксплуатации данные деформации смятия суммируются, что приводит к появлению зазоров между стыковыми поверхностями прессформ и как следствие, образованию облоя на отливаемых изделиях. В рамках известной методики И.И. Горюнова в качестве критерия оценки термостойкости материалов предлагается коэффициент охрупчивания материала прессформы за один цикл [1], [8]. Физический смысл данного коэффициента заключается в том, что при циклировании запас прочности и пластичности металла прессформы понижается в зависимости от свойств материала и термических напряжений. Для случая, когда максимальные температурные напряжения меньше предела прочности формула расчета термостойкости имеет следующий вид:
(6)где –коэффициент термостойкости, который зависит от чистоты рабочей поверхности прессформы, чувствительности материала к концентраторам напряжений, остроты надрезов (концентраторов), веса и размеров отливок и др.
–температурные напряжения;
–общая тепловая деформация;
–предел прочности материала прессформы;Однако данные, приводимые в этом же источнике для стали 3Х2В8Ф, показывают, что выведенная формула не дает возможности достаточно точно спрогнозировать стойкость прессформы для ЛПД цинковых сплавов.По мнению авторов данной работы, велика вероятность того, что наибольшее влияние на коэффициент термостойкости будутоказывать концентраторы напряжений и чистота рабочих поверхностей матриц, поскольку данные факторы определяют характер взаимодействия потока расплавленного металла с материалом прессформы. Это предположение и является базовым для разработки новой, усовершенствованной методики прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов.В случае однозначного определения зависимости коэффициента термостойкости от указанных факторов появляется возможность не только достаточно точно и адекватнопрогнозировать величину эксплуатационного ресурса прессформы, но и создать теоретические предпосылки для управления его величиной. Это, в свою очередь, позволит выработать практические рекомендации по выбору конструкции и материала прессформ для литья под давлением цинковых сплавов для повышения эксплуатационной стойкости наиболее нагруженных деталей технологической оснастки.
Ссылки на источники1.Горюнов И.И. Прессформы для литья под давлением / Справочное пособие. Л.:Машиностроение, 1973, 256с.2.Беккер М.Б. и др. Литье под давлением. М. Машиностроение, 1990.400с3.Березин Д.Т. Повышение эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением на основе анализа теплонапряженного состояния и моделирования процессов термоусталостного разрушения : дис. канд. техн. наук/ Рыбинск, 2002229с.4.Савин И.А., Леушин И.О., Ульянов В.А., Леушина Л.И. Теоретическая оценка трещиностойкости оболочковых форм точного литья, изготовленных с применением технологии низкотемпературного прокаливания//Справочник. Инженерный журнал с приложением. М.2015. № 9 (222). с. 35.5. Гавариев Р.В.,Леушин И.О.,Савин И.А. Анализ влияния теплового баланса на показатель эксплуатационной стойкости прессформ для литья под давлением //Заготовительные производства в машиностроении. М. 2016. №1. С.796.Писаренко Г.С. и др. Прочность материалов при высоких температурах. Киев.:Наукова думка, 1966 –793с.7.Синявский Д.П. Прочность и долговечность материалов при малоцикловом неизотермическом нагружении . Киев.: АНУССР, ИПЛ, 1984 67с.8. Савин И.А., Марков В.В. Нищенков А.В. Плохов С.В. Методика теоретического расчета поверхностного натяжения металлических расплавов на основе физической модели энергетического состояния жидкости//"Справочник. Инженерныйжурнал" (сприложением) М.2014. № 5. с.4852
