НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Русаков Петро Володимирович
УДК 621.746.6.19.04: 621.747.5
УДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБІВ ЗАСТОСУВАННЯ ДИНАМІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ ДЛЯ ІНТЕНСиФІКАЦІЇ ПРОЦЕСІВ СТАРІННЯ ВИЛИВКІВ
Спеціальність 05.16.04. - Ливарне виробництво
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів Національної академії наук України
Науковий керівник
Доктор технічних наук, професор Шинський Олег Йосипович, зав. відділом,
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Бялік Олег Михайлович,
Національний технічний університет України “КПІ”, завідувач кафедри
кандидат технічних наук Грузд Анатолій Андрійович,
Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона, НАН України,
старший науковий співробітник
Провідна установа
Національний технічний університет “ХПІ”, кафедра ливарного виробництва, Міністерство освіти і науки України, м. Харків
Захист відбудеться “27” вересня 2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.232.01 ФТІМС НАН України
за адресою: 03680, м. Київ-142, МСП, проспект Вернадського 34/1
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІМС НАНУ за адресою: 03680, м. Київ-142, МСП, проспект Вернадського 34/1
Автореферат розісланий “17” серпня 2001р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Чорновол А. В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасний рівень машинобудування пов’язаний із зростаючими вимогами до якісних показників металопродукції, які в значній мірі зумовлені фізико-механічними властивостями і рівнем залишкових напружень литих заготовок. Підвищити якість виливків із залізовуглецевих сплавів і при цьому зменшити виробничі витрати можна шляхом розробки нових, найбільш ефективних методів фізичної обробки виливків, які забезпечують інтенсификацію процесів зниження залишкових напружень і стабілізацію розмірної точності виготовлених виробів. Зростання техніко–економічних показників роботи ливарних цехів і зниження собівартості продукції також тісно пов’язано з впровадженням нових економічних способів обробки, які підвищують рівень екологічної безпеки ливарного виробництва.
Протягом останніх кількох десятиліть спостерігається розвиток нових способів обробки, які сприяють поліпшенню структури і властивостей фасонних виливків при застосуванні зовнішніх вібраційних, ультразвукових та електромагнітних впливів. Привабливим є використання вібрації і ударних навантажень для інтенсифікації процесів старіння виливків. За даних умов відкриваються широкі можливості використання разроблених технологій для забезпечення підвищення експлуатаційних характеристик вузлів і окремих деталей машин та заміни термічних методів, які використовують для зниження залишкових напружень у литих виробах. Отже науковий пошук нових рішень, дослідження можливостей розроблених способів старіння, встановлення області їх застосування є актуальною проблемою.
В процесі роботи над дисертацією були розроблені та досліджені нові способи динамічного старіння, які забезпечують високі показники якості стабілізуючої обробки виливків. Грунтовні дослідження були проведені на заготовках із залізовуглецевих сплавів, які підпадали під вібраційний вплив з наступними комплексними дослідженнями впливу динамічних нававантажень на процеси зниження залишкових напружень і стабілізацію іх розмірів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в Інституті проблем лиття Академії наук України (з 1996 р. – Фізико – технологічний інститут металів та сплавів) в період 1985 – 2000 рр. в обсязі Постанов Президії НАН України і відповідно з координаційними планами НДР НАН України по вирішенню наукової проблеми 2.25.1.5 “Розробка теоретичних засад управління процесами формування виливків із застосуванням зовнішніх впливів”, а також в обсязі дослідної науково–технічної програми Держкомітету з науки і інтелектуальної власності України “Ресурсозберігаючі технології в металургії” і планів робіт по новій техніці Міністерств хімічного машинобудування, суднобудування, тракторного и сільськогосподарського машинобудування.
Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є удосконалення діючих і розробка нових технологій динамічного старіння виливків із залізовуглецевих сплавів відповідно до виробництва деталей моторної групи, включаючи виливки головок блоку циліндрів, колінчасті вали, довгомірні деталі, виливки корпусів редукторів і гідророзподільників з використанням спеціального обладнання та розробки алгоритмів управління процесами динамічного навантаження. Розроблені технології мають бути реалізованими на етапах виконання фінішних операцій обробки виливків, забезпечувати високі показники ресурсозбереження і відповідати сучасним вимогам екологічної безпеки та охорони навколишнього середовища.
Для досягнення поставленої мети треба вирішити такі основні завдання:
- встановити закономірності формування напружено деформованого стану виливків із залізовуглецевих сплавів в інтервалі закінченого технологічного циклу одержання литва та розробити нові способи динамічного старіння з використанням ударних і вібраційних принципів навантаження;
-
визначити вплив термічних і динамічних способів старіння на характер перерозподілу залишкових напружень у виливках та вивчити вплив технологічних факторів на формування їх якості;
-
розробити технологічні принципи управління процесами динамічного старіння при взаємодії електрогідроімпульсного та вібраційного навантаження;
- на основі розроблених способів та створеного спеціального обладнання освоїти в промислових умовах технологічні процеси динамічного старіння виливків головок блоку циліндрів, корпусів редукторів та корпусних базових виливків моторної групи.
Об’єкт дослідження – вплив зовнішніх силових факторів на формування напруженодеформованого стану виливків.
Предмет дослідження – залишкові ливарні напруження в виливках і способи їх перерозподілу динамічними навантаженнями.
Методи дослідження: У роботі використано комплексний метод досліджень, який включає: теоретико-прикладні дослідження методів і схем силових фізичних взаємодій, які застосовуються при обробці виливків; теоретичне та експериментальне дослідження формування напружено деформованого стану виливка в інтервалі повного технологічного циклу виготовлення ливарної продукції; оцінка ефективності впливу динамічних навантажень на процес старіння з урахуванням даних по циклічних навантаженнях зразків; аналіз процесів динамічного навантаження виливків і використання в якості інформаційних параметрів енергочастотних образів натурних зразків виливків; проведення досліджень перерозподілу залишкових напружень методами електротензометрії; експериментальний аналіз коефіцієнтів концентрації напружень (ККН) і порівняльний аналіз жолоблення виливків, виготовлених з використанням термічних і динамічних методів обробки; перевірка ступеня адекватності розрахованих величин з використанням апробованих у періодичних виданнях експериментальних даних.
Наукова новизна отриманих результатів. З використанням експериментально – дослідних методів з’ясовано механізм перерозподілу залишкових напружень у виливках при застосуванні ударних і вібраційних навантажень. Встановлено, що рівень зниження залишкових напружень у виливках із залізовуглецевих сплавів при використанні розроблених способів динамічного старіння може досягати 65% від їх попереднього первісного значення, що відповідає умовам, необхідним для стабілізації розмірної точності виготовлених виробів.
Визначено і експериментально підтверджено кількісний зв’язок енергетичних і часових параметрів електрогідроімпульсного навантаження з показниками зниження залишкових напружень.
Вперше здійснено принципово важливий аналіз взаємозв’язку процесів перерозподілу залишкових напружень у виливках з енергетичними показниками динаміки вібраційного навантаження. Теоретично обгрунтована і експериментально підтверджена можливість використання енергочастотних образів виливків для реалізації нових принципів управління процесом вібраційного навантаження.
Розроблено принципи управління процесами вібраційного старіння виливків. Встановлено, що для визначення режимів навантаження і контролю за ходом процесу перерозподілу залишкових напружень доцільно застосовувати енергетичні показники процесів старіння: поточні абсолютні та відносні за часом величини потужності двигуна вібромашини в період віброобробки виливка.
Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці та апробації ряду способів динамічного старіння, впровадженні технологічних процесів фінішної обробки виливків із застосуванням розроблених вібраційних, ударних та комбінованих способів навантаження.
Розроблений спосіб ударної електрогідроімпульсної обробки виливків (ЕГО) замість низькотемпературного відпалювання забезпечив поєднання операцій старіння та очищення виливків головок циліндрів ( бінарний процес).
Одержані результати дозволили створити нові технологічні процеси вібростабілізуючої обробки плоских рам, виливків корпусів редукторів, колінвалів для двигунів внутрішнього згоряння та суднових валів.
Розроблено схеми для створення технологічних процесів вібраційного старіння на основі адаптивних систем управління.
Особистий внесок здобувача відображений в тому, що будучи ініціатором і відповідальним виконавцем робіт, він запропонував нові способи динамічного старіння виливків, брав активну участь у їх реалізації на всіх етапах дослідно - технологічних робіт, а також у розробці способів, методик і проведенні досліджень, зокрема він полягає:
у встановленні закономірностей формування напружено деформованого стану виливків із залізовуглецевих сплавів в процесі проходження повного циклу їх виготовлення і впливу ливарних напружень на зміну показників якості та експлутаційних характеристик готової продукції; у визначенні ударних і вібраційних характеристик динамічного впливу та відпрацюванні технологічних схем навантаження; в з’ясуванні механізму пружно пластичного деформування виливка під дією зовнішнього віброзбудника та дослідженні впливу вібрації на показники якості вібростабілізуючої обробки; в розробці способів динамічного старіння для різних типів виливків та їхньої класифікації у відповідності з їх призначенням; узагальнення результатів досліджень, підготовка статей та винаходів в співавторстві виконувалось за безпосередньою участю здобувача ступеня; основні теоретичні положення по застосуванню енергочастотних образів виливків для реалізації нових принципів управління сформульовані здобувачем особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях: “Производство литых заготовок повышенной точности и малой трудоемкости” (г. Свердловск, 1986), “Новые высокопроизводительные процессы, высококачественные сплавы и оборудование в литейном производстве” (г. Каунас, 1986), “Повышение надежности и долговечности машин и сооружений” (г. Запорожье, 1988), “повышение надежности и долговечности литых деталей” (г. Киев, 1989), “повышение надежности и долговечности отливок” (г. Киев, 1990) і міжнародному науково – технічному конгресі “Пути возрождения литейного производства в Украине в начале нового тысячелетия” (г. Киев, 2001). В повному обсязі дисертація обговорювалась на семінарах ФТІМС НАН України ( м. Київ, 2000).
Розроблена технологія вібраційного старіння демонструвалась в 1988 р. на ВДНГ СРСР і нагороджена срібною медаллю ( Постановление от 13/12-1988 г. № 1087-Н, г. Москва).
При вирішенні наукової проблеми 2.25.1.5 розроблено і прийнято міжвідомчою комісією процес електрогідравлічної обробки виливків головок циліндрів.
Публікація матеріалів. За матеріалами дисертації опубліковано 24 роботи, зокрема 7 статей в фахових науково–технічних журналах і збірниках і отримано 17 авторських свідоцтв на винаходи.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, викладена на 230 сторінках, містить 168 сторінок машинопису, 59 рисунків, 29 таблиць і список літератури із 112 найменувань.
зміст роботи
У вступі до дисертації обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, визначено наукову новизну одержаних результатів, їх практичне значення.
Перший розділ – оглядовий і присвячений висвітленню стану проблеми і вибору напрямків досліджень. Розглядаються сучасні уявлення щодо впливу різних факторів на формування структури й властивостей виливків із залізовуглецевих сплавів. Розкриваються причини виникнення в них залишкових напружень, і як наслідок, подальшого їх жолоблення. Показано, що для створення виливків, здатних зберігати високі показники службових властивостей, перспективним є застосування динамічних методів зниження залишкових напружень в процесі охолодження і наступних операціях фінішної обробки. Подано аналіз основних схем для ударного і вібраційного навантаження виливків і розкриті технологічні можливості обладнання для реалізації вказаних схем. Зроблено висновок про доцільність проведення подальших досліджень в напрямку удосконалення способів застосування динамічного навантаження для інтенсифікації процесів старіння виливків.
У другому розділі розглянуті основні положення теорії динамічного старіння для створення нових способів обробки виливків ударними і вібраційними навантаженнями. Розроблено комплексну методику вивчення напружено деформованого стану виливків і визначення основних параметрів динамічних навантажень. Проведено аналітичне моделювання параметрів виливка при дії силових факторів, відпрацьована методика вибору інформативних параметрів неруйнівного контролю перерозподілу залишкових напружень і діагностики виливка в процесі вібраційних навантажень. Запропонований метод дослідження дає можливість одержати енергочастотні образи виливків, за допомогою яких визначаються параметри динамічних навантажень і здійснюється неруйнівний контроль їх якості. Вплив динамічних навантажень досліджували на виливках корпусів редукторів, головках блоку циліндрів, колінвалах двигунів внутрішнього згоряння, виливках довгомірних валів і на чавунних деталях гідроапаратури.
Визначення залишкових напружень здійснювалось методами експериментальної електротензометрії. Після вимірювання деформацій в окремих точках проводились розрахунки рівня головних напружень 1, 2.
Особливості впливу вібрації і удару на стабілізацію розмірної точності виливків досліджували шляхом експериментального вивчення часових параметрів інтенсивності жолоблення. Похибки вимірювання оцінювали за величиною середньоквадратичного відхилення.
Металографічні дослідження і визначення коефіцієнтів концентрації напружень проводили на зразках, взятих з певних зон виливків після операцій обрубки, старіння і термічної обробки. Розроблені алгоритми і програмне забезпечення розрахунків дозволили автоматизувати процес проведення досліджень із застосуванням персональних ЕОМ.
У третьому розділі досліджено закономірності зниження залишкових напружень при використанні ударного електрогідроімпульсного навантаження. Виконано аналіз впливу основних параметрів розрядного контуру на ефективність зниження залишкових напружень. Умови зв’язку амплітуди енергетичного імпульсу та часу енерговиділення з параметрами розряду описуються диференціальним рівнянням:
,
де I - струм плазми в каналі розряду; C, L, Rk – відповідно ємність, індуктивність та опір розрядного контуру. В залежності від величини співвідношень Rk та можливі випадки як періодичного, так і аперіодичного розряду накопичувача. При Rk спостерігається аперіодичний характер розряду, при інших значеннях Rk процес має періодичний характер. Задачу оптимізації імпульсного енерговиділення в розрядному каналі можна звести до пошуку максимуму амплітуди енергетичного імпульсу при встановленні мінімуму часу енерговиділення. Фізичне моделювання дії технологічних факторів розрядного навантаження і розрахунки з врахуванням отриманих додатково регресійних рівнянь дозволили встановити оптимальні величини енергетичних параметрів розрядного контуру. Серія експериментів по вивченню технологічних можливостей електрогідроімпульсної обробки (ЕГО) була проведена на ливарних решітках та ливарних кільцевих зразках, вирізаних з чавунних виливків.
Встановлено, що при коливанні кількості розрядів в межах 10…50 імпульсів середній рівень зниження залишкових напружень в ливарних решітках становить 30…35 % від їх початкового рівня. Також після ЕГО зростає на 28…34 % релаксаційна стійкість кільцевих зразків. Заключна група експериментів була направлена на розробку способу динамічного старіння базових деталей моторної групи з використанням ЕГО. Отримані дані по залишкових напруженнях для окремих режимів ЕГО використовувалися з метою оптимізації параметрів обробки.
Для практичного застосування ЕГО при виробництві виливків головок циліндрів та деталей гідроапаратури визначено технологічні схеми і виконано порівняльний аналіз рівня залишкових напружень у виливках після виконання операцій обрубки, відпалювання, ЕГО (рис.1), а також проведено аналіз жолоблення головок після тривалого 4-х місячного вилежування (рис. 2).
У четвертому розділі досліджено вплив кругових вібрацій на процеси старіння виливків. Випробування проводили із застосуванням створених
віброзбудників в частотному діапазоні 1 - 150 Гц при регулюванні збурювальних сил в межах 1000 - 45000 Н. Розроблено механізм керування процесами вібронавантаження та оцінки результатів впливу вібрацій на показники внутрішнього стану виливків. Вплив низькочастотних кругових навантажень на перерозподіл залишкових напружень у виливках та їх релаксаційну стійкість розглянуто на основі обробки і узагальнення даних випробувань.
Розглянуто фізичну модель пружно в’язкопластичного деформування тіла, яка розкриває перехідний процес релаксації напружень у взаємозв’язку з відхиленням енергетичних показників балансу дисипативної системи в процесі вібраційних навантажень. Встановлено, що частотний енергетичний спектр та показники потужності, необхідної для підтримки коливань на вібраційних частотах, одночасно є інформаційним джерелом для встановлення необхідних параметрів навантаження і організації непрямого контролю процесу зниження залишкових напружень. Ці висновки були експериментально підтверджені в натурних випробуваннях виливків і заготовок, де в якості параметрів, які реєструються, використовували енергочастотні характеристики процесу вібраційного навантаження (рис.3).
Проаналізовано функціональні можливості частотно - часових енергетичних спектрів потужності вібраційних навантажень, які є сигналами від датчиків потужності віброзбудників (рис.4). При дослідженнях необхідну частоту та інформативність сигналів забезпечували застосуванням кругових вібрацій та фільтрацією теплових і динамічних перешкод.
Розв’язання поставлених задач включало:
- аналіз енергочастотних спектрів для виділення інформативних ознак щодо вибору робочих частот вібрації і розробку критеріїв оптимального управління процесом вібронавантаження;
- встановлення інтегральних показників оцінки зниження залишкових напружень у виливках;
- дослідження діагностичних ознак для порівняльної оцінки фізико-механічних і пружно динамічних властивостей окремих елементів виливка.
При розв’язанні цих задач, управління процесом навантаження було здійснено по принципу використання екстремумів енергочастотних кривих процесу вібронавантаження. Досліджений принцип оптимізації частот вібронавантаження було покладено в основу при розробці нових способів вібростаріння і впровадженні технологічних процесів віброобробки виливків редукторів, довгомірних валів, заготовок колінвалів. При впровадженні віброобробки розглянуто проблему використання комплексних непрямих параметрів процесу вібронавантаження для контролю зниження залишкових напружень.
Розроблено кілька способів контролю перехідного процесу релаксації напружень, в основу яких покладено видозмінення енергочастотних образів виливка: відхилення амплітуди, форми і частотного розташування резонансних екстремумів, а також нестаціонарність окремих енергочастотних зон на електромеханічній характеристиці “частота – потужність”. Аналіз кривих, знятих при адекватних умовах вібронавантаження контрольних виливків, дозволив зробити висновки про те, що енергочастотні образи відображають зміни структурних властивостей і якісних показників вихідних деталей, це дозволяє використовувати їх для оперативної оцінки вихідного стану литих заготовок.
Враховуючи спеціфіку наявності широкої номенклатури виливків із залізовуглецевих сплавів, до яких можливе застосування процесів вібростаріння, розроблено три типи автоматизованих вібраційних установок, які забезпечують досягнення збурювальних сил 10000 Н; 15000 Н; 45000 Н при збудженні кругових коливань в діапазоні 1-150 Гц.
Показано технологічні схеми обробки окремих типів виливків та окреслено межі застосування розроблених способів в залежності від вихідних характеристик ливарної продукції.
У п’ятому розділі наведено способи обробки виливків із застосуванням комбінованих механічних, магнітних і теплових впливів.
Розроблено спосіб віброелектрогідроімпульсної обробки виливків, який поєднує вплив на виливок вібраційного та ударного навантажень. Подана також розроблена технологічна схема, яка забезпечує як зниження залишкових напружень, так і очистку виливків від стрижневих сумішей. Показано, що технологічний процес віброелектрогідроімпульсної обробки виливків найбільш ефективний для особливоскладних жорстких виливків на стадіях проведення фінішних операцій їх обробки з метою очищення внутрішніх важкодоступних каналів та отворів з одночасним зниженням залишкових напружень замість термічної обробки.
Спосіб обробки виливків, який поєднує дію механічних сил і вплив магнітного поля, був розроблений для реалізації технологій старіння конструкцій із залізовуглецевих сплавів, в яких для випробувань можливе застосування статичних навантажень. Вплив на структуру металу магнітного поля з циклічною зміною вектору дії на 1800 разом з механічним навантаженням в інтервалі 0,45 – 0,7 межі плинності дозволяє створити умови прискорення перехідного процесу релаксації напружень і разом з тим мінімізувати енергозатрати процесу навантаження.
Для одержання низького рівня залишкових напружень та однорідності структури по перерізу виливка розроблено спосіб і створено обладнання для обробки виливків вібраційним полем кругових коливань в межах 1- 150 Гц, при регулюванні збурювальних сил від 1,0 кН до 10 кН, за умов дії на виливки високих температур в інтервалі 300 – 1800 0С.
Вперше встановлено залежність єфективності вібростаріння від магнітострикційних і механострикційних явищ, котрі збуджуються в процесі зміни температури виливка. Для залізовуглецевих сплавів дії кругової вібрації в інтервалі 0,96-1,03 температур магнітного перетворення цементиту приводить до прискорення релаксаційних процесів та більш глибокого зниження залишкових напружень.
У розділі також розглянуто технологічні схеми із застосуванням розроблених автоматизованих вібраційних систем для технологічних процесів виготовлення виливків. В основу цих систем покладено принципи адаптивного управління і формування режимів вібронавантаження. Ефективність застосування розроблених вібраційних систем підтверджена при вирішенні задач приготування сплавів, віброобробки форм в процесі кристалізації і структуроутворення виливків, вібростаріння, а також для організації технологій зачистки поверхні вихідних деталей. Визначено межі і наведено рекомендації по застосуванню розроблених способів, які зумовлюються як серійністю виробництва, так і індивідуальними особливостями виливків.
Дослідно-промислові випробування і прийомка технологічних процесів створеною міжвідомчою комісією (МВК) підтверджують високу ефективність запропонованих способів фізичної обробки. За рахунок заміни відпалювання розроблені способи динамічного старіння забезпечують зменшення енерговитрат на стадіях фінішної обробки виливків в 7 - 8 разів і скорочують час обробки на 75…80%. Продуктивність при відпалюванні виливків із залізовуглецевих сплавів, в залежності від типу виробництва, складає 0,20-1,50 т/ч. В порівнянні з операцією відпалювання, продуктивність установок для динамічного старіння “Вібростар” дорівнює 4,0…6,0 т/ч.
Загальні висновки
1.
Теоретично обгрунтовано та експериментально підтвержено доцільність розробки і впровадження технологічних процесів динамічного старіння виливків із застосуванням ударних і вібраційних силових способів навантаження для вирішення проблеми одержання литих деталей з заданими експлуатаційними властивостями. Встановлено сфери застосування розроблених способів обробки.
2.
З’ясовано механізм та розроблено методики розрахунку основних технологічних параметрів способу ударного навантаження для досягнення зниження рівня залишкових напружень в оброблюваних заготовках до 35-65 % від їх початкового значення. Встановлено, що для визначення основних параметрів динамічного навантаження критерієм вибору є спектр резонансних частот виливка, а для дослідження залишкових напружень в натурних заготовках раціональним є використання методу електротензометрування.
3.
Досліджено технологічні можливості електрогідроімпульсного способу навантаження. Вивчено вплив режимів ЕГО на характер зниження залишкових напружень у зразках і ливарних решітках. Встановлено, що рівень зниження в них залишкових напружень становить 30-35 %.
4.
Обгрунтовано можливість застосування ЕГО для зниження залишкових напружень і стабілізації розмірної точності особливожорстких виливків складної форми. Розроблено спосіб ЕГО (бінарний процес), за допомогою якого стало можливим проводити очищення виливка від стрижневих сумішей і одночасно операцію динамічного старіння.
5.
Розроблено та теоретично обгрунтовано способи для реалізації процесів вібраційного старіння плоских рамних виливків, довгомірних деталей, виливків коробчастої форми. Встановлено оптимальні параметри контролю ефективності процесу старіння за інтегральними параметрами енергочастотних характеристик, знятих при збудженні коливань. Вібраційне навантаження ефективне для довгомірних деталей, виливків великих розмірів, великогабаритних корпусів та кришок редукторів.
6.
Для реалізації розроблених способів динамічного старіння створено спеціальне обладнання, в основу якого покладено застосування кругових вібрацій.
7.
Розроблено і впроваджено бінарний ЕГО - технологічний процес вибивки стрижнів і старіння виливків головок блока циліндрів з метою зниження залишкових напружень, який пройшов міжвідомчу атестацію і рекомендований для широкого впровадження. Проведені дослідження встановили ефективність використання цієї технології для обробки виливків блок - картерів двигунів та корпусних деталей гідроапаратури.
8. Проведено ресурсні випробування динамічно оброблених деталей, досліджено експлуатаційні характеристики головок блока циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, заготовок довгомірних валів, плоских рамних виливків. Застосування розроблених способів динамічного старіння дозволяє значно спростити технологічний процес, а також збільшити експлуатаційну стійкість литих деталей моторної групи на 5 – 15 % у порівнянні з аналогічними деталями, виготовленими із застосуванням термообробки. Значний економічний ефект досягається за рахунок підвищення експлуатаційної стійкості деталей, скорочення строку їх виготовлення та виключення з техпроцесу операцій термообробки.
ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Русаков П.В. Классификация отливок и деталей моторной группы по методам динамического старения // Металл и литье Украины. - 1999.- № 7-8.-С.44-46.
2. Русаков П. В., Шинский О. И. Остаточные напряжения в отливках головок блока цилиндров и способ их уменьшения динамическим нагружением // Процессы литья.- 2000.- № 3.- С.92–94.
3. Шинский О. И., Русаков П. В. Опыт применения центробежных вибрационных машин при решении технологических задач литейного производства // Процессы литья.- 2000.- № 1.- С.73–78.
4. Способ обработки отливок и конструкций из железоуглеродистых сплавов: А. с. 1301850 СССР, МКИ С21D 1/04 / В. Г. Горенко, П. В. Русаков, О. И. Шинский, Ю. А. Пронин (СССР). - №3896451 / 22 – 02; Заявлено 15.05.85; Опубл. 07. 04. 87, Бюл. № 13. – 7 с.
5. Способ обработки металлических конструкций: А. с. 1444361 СССР, МКИ С21D 1/04 / В. Г. Горенко, П. В. Русаков, О.И. Шинский, Н. Н. Маетный (СССР) №4242684 / 31 – 02; Заявлено 11. 05. 87; Опубл. 15.12. 88, Бюл. № 46. – 4 с. ил.
А також авторські свідоцтва СРСР за №№ 1035074; 1076465; 1076474; 1135583; 1165489; 1196384; 1204643; 1230715; 1252357; 1255846; 1268629; 1359316; 1373732; 1502629; 1513174.
анотація
Русаков П.В. Удосконалення способів застосування динамічного навантаження для інтенсифікації процесів старіння виливків. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 – Ливарне виробництво. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2001 р.
Дисертаційна робота присвячена розробці нових і удосконаленню існуючих способів динамічного старіння, які забезпечують зменшення енергозатрат та інтенсифікацію процесів зниження залишкових напружень у виливках із залізовуглецевих сплавів.
Представлено результати досліджень впливу зовнішніх силових факторів на процеси динамічного старіння виливків із залізовуглецевих сплавів. Встановлено визначальний вплив ударних і вібраційних параметрів навантаження на процеси перерозподілу залишкових напружень в досліджених заготовках. З’ясовано механізм та запропоновано математичні методики розрахунку основних технологічних параметрів способу ударного навантаження. Розроблено та теоретично обгрунтовано способи реалізації процесів динамічного старіння для широкої гами виливків. Встановлено оптимальні параметри контролю ефективності процесу старіння за інтегральними параметрами енергочастотних характеристик, знятих при збудженні коливань. Розроблено спосіб електрогідроімпульсної обробки (бінарний процес), який суміщає очистку виливка від стрижневих сумішей та операцію динамічного старіння.
Ключові слова: залишкові напруження, деформація виливків, динамічне старіння, електрогідравлічний удар, вібрація.
АННОТАЦИЯ
Русаков П.В. Совершенствование способов применения динамического нагружения для интенсификации процессов старения отливок. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04. - Литейное производство. – Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев, 2001 г.
Диссертация посвящена разработке и совершенствованию способов динамического старения обеспечивающих снижение энергозатрат и интенсификацию процессов перераспределения остаточных напряжений в отливках из железоуглеродистых сплавов.
Показано определяющее влияние ударных и вибрационных параметров нагружения на процессы перераспределения остаточных напряжений и коробление отливок. Разработан и теоретически обоснован способ электрогидроимпульсной обработки отливок (ЭГО), установлен механизм и предложены математические методики расчета основных технологических параметров ударного нагружения. Изучено влияние режимов ЭГО на характер снижения остаточных напряжений в литейных решетках, кольцевых образцах и образцах, вырезанных из реальных отливок. Установлено, что уровень снижения остаточных напряжений в них может достигать 30 - 65% от их исходного значения в литом состоянии.
Обоснована возможность применения ЭГО для снижения остаточных напряжений и стабилизации размерной точности особо жестких и жестких отливок сложной формы. Разработанный для этих целей способ (бинарный процесс обработки) позволил осуществить управление процессом снижения остаточных напряжений и решить задачу совмещения операций выбивки и старения отливок.
Исследованы процессы вибрационного старения, описана реологическая модель поведения отливки под действием низкочастотной вибрации и установлены технологические параметры управления процессами нагружения.
Обосновано использование энергочастотных характеристик исследуемых отливок в качестве информативных признаков для разработки новых принципов управления процессами вибрационного старения. Рассмотрены возможности использования энергочастотных образов для оптимизации режимов старения отливок, контроля перераспределения остаточных напряжений и оценки дефектов в литых деталях.
На основе выполненных исследований и полученных экспериментальных данных о характере перераспределения остаточных напряжений и коробления отливок разработаны и внедрены новые технологические процессы динамического старения плоских рамных отливок, отливок корпусов редукторов, коленвалов двигателей внутреннего сгорания и судовых валов, основывающиеся на использовании разработанных вибрационных, ударных и комбинированных способов нагружения.
Разработаны практические схемы для построения технологических процессов вибрационного старения с использованием компьютерных автоматизированных систем управления.
Определены границы применения разработанных способов в соответствии с классификацией отливок и деталей по применяемым методам динамического старения:
-
электрогидроимпульсную обработку целесообразно совмещать с выбивкой стержней для сложных и жестких отливок с целью исключения термической обработки;
-
вибрационное нагружение дебалансными вибровозбудителями рекомендуется для длинномерных деталей, отливок с большой протяженностью стенок, крупногабаритных корпусов и крышек редукторов.
Проведены ресурсные испытания и исследованы качество и прочностные характеристики ряда отливок из железоуглеродистых сплавов, прошедших операции динамического старения взамен низкотемпературного отжига. Показана принципиальная возможность получения деталей с низким уровнем остаточных напряжений при оптимальном выборе параметров динамического старения. Приведены примеры использования динамического старения для снижения остаточных напряжений в отливках и деталях.
Ключевые слова: остаточные напряжения, коробление отливок, динамическое старение, электрогидравлический удар, вибрация.
summary
P.V. Rousakov.
Perfection of the methods of the dynamic loading for intensification of ageing in castings. - Manuscript.
The dissertation for defending a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.16.04 -Foundry. Physico-Technological Institute of Metals and Alloys of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.
The dissertation is devoted to the issues of the perfection of the processes of dynamic ageing of castings by developmening new methods for reliability improvement of castings and power consumption decreasing in ironfoundry industry . The optimal parameters of the dynamic ageing for wide spectrum of engine castings have been investigated and ascertained.
New methods of automatic regulating processes of vibrating loading and examples of effective technological applications of circular vibrations in foundry are presented. It is shown the principal possibility of obtaining castings with low residual stresses due to controlling optimum dynamic parameters.
Key words: residual stresses, casting deformation, dynamic ageing, electrohydraulic impact, vibration.
