Ключевые характеристики работы

Проблема: недостаточная эксплуатационная стойкость поршневой пары машин литья под давлением (МЛПД) на фоне высокой потребности в выпуске качественной продукции.

Объект исследования: технологический процесс литья под давлением на МЛПД с холодной горизонтальной камерой.

Предмет исследования: эксплуатационная стойкость поршневой пары МЛПД с холодной горизонтальной камерой.

Цель исследования: повышение эксплуатационной стойкости поршневой пары МЛПД.

Задачи исследования:

1. информационно-аналитический обзор имеющегося опыта решения проблемы;

2. теоретическая оценка условий эксплуатации поршневой пары МЛПД;

3. разработка модернизированной конструкции пресс-поршня;

4. разработка и промышленное внедрение новой технологии изготовления пресс-поршней в условиях собственного производства предприятия, а именно, для выпуска алюминиевого литья методом ЛПД;

5. оценка ожидаемого экономического эффекта от внедрения разработки.

Гипотеза: применение новой технической схемы позволит повысит эксплуатационную стойкость поршневой пары МЛПД не менее, чем на 50%.

Исследовательская часть

2.1 Условия эксплуатации поршневой пары: тепловой, механический и триботехнический аспекты

Ввиду очевидной сложности условий эксплуатации деталей поршневой пары МЛПД, целесообразно рассматривать ее работу в трех аспектах: тепловом, механическом и триботехническом.

Тепловой режим литья включает: температуру подогрева и охлаждения поршневой пары перед началом и в процессе работы, температуру жидкого металла, поступающего в рабочую полость, а также возникающие при каждом литейном цикле температуру контакта и температурный перепад. Анализируя полученные результаты, рассматриваемые в тепловом аспекте, какому подвергаются температурному воздействию прессующий узел со стороны заливаемого сплава.

При изготовление отливок на рабочей поверхности поршневой пары возникают процессы приводящие к выходу поршневой пары из строя. В основном механические свойства определяют эксплуатационную стойкость поршневой пары.

Поршневая пара работает в условиях постоянного абразивного износа. Триботехника позволит дать точную характеристику о контактном взаимодействие твердых тел при их относительном движении, охватив комплекс трения и изнашивания прессующего узла машины ЛПД.

Тепловой аспект

В процессе работы поршневая пара подвергаются температурному воздействию со стороны заливаемого сплава. Весь цикл прессования можно условно разделить на несколько этапов, различающихся условиями теплообмена.

На первом этапе расплав заливается в камеру прессования при температуре заливки. Теплообмен на этом этапе между металлом и поршневой пары прессования происходит через поверхность контакта и излучением через зеркало металла.

На втором этапе происходит перекрытие заливочного окна камеры прессования. Прессующий поршень движется с небольшой скоростью. Происходит повышение уровня металла при постоянном его объеме. Изменяются площади контакта с элементами узла прессования и площадь зеркала металла. Теплообмен осуществляется теми же путями, что и на первом этапе.

На третьем этапе прессующий поршень движется. Происходит подъем уровня металла до момента, когда металл заполнит всё поперечное сечение камеры прессования. Теплообмен осуществляется так же, как и в двух предыдущих случаях. Объем металла в камере прессования постоянный.

На четвертом этапе происходит заполнение полости формы. Теплообмен осуществляется через поверхность контакта. Поскольку свободная поверхность металла отсутствует, то отсутствует и теплообмен излучением.

На пятом этапе прессующий поршень осуществляет подпрессовку, вытесняя часть жидкого металла в полость формы. Теплообмен осуществляется через поверхность контакта, так же как и на четвертом этапе.

Для оценки характера распределения температур в элементах узла прессования и сопрягаемых с ними деталей можно расчет тепла, которое передается лучеиспусканием. Тепло передаваемое лучеиспускание, физический, способ передачи тепла, по которому тепло передается непосредственно нагретого тела к окружающий среде [18].

Расчет тепла, которое передается лучеиспусканием отведенного наружной поверхностью прессующей пары, за счет теплообмена, можно приближенно оценить по формуле:

, (2.1)

где α – коэффициент лучеиспускания;

T_c – температура окружающей среды, °С;

T_ф – температура поршневой пары, °С;

F – общая площадь, см²;

t – продолжительность, с [19].

Механический аспект

В процессе производственного цикла пресс – поршень подвергается механическим нагрузкам воздействию со стороны пресс – формы и заливаемого сплава.

Рассмотрим цилиндрическую оболочку пресс – поршня под действием осесимметричных нагрузок и нагрева рисунок 2.1.

Уравнение радиального прогиба оболочки. Если ω(х) – радиальное перемещение точек срединной поверхности (положительному значению соответствует перемещение точек на окружности большего радиуса), то будем иметь следующее дифференциальное уравнение:

, (2.2)

где – цилиндрическая жесткость, Н см;

Е – модуль упругости материала;

h – толщина оболочки, см;

а – радиус срединой поверхности, см;

q – распределенная нагрузка, приложенная к срединной поверхности, Н/см²;

α – коэффициент линейного расширения, 1/°C;

Т_о – температура срединной поверхности наружной поверхности, °С;

V – коэффициент Пуассона.

Рисунок 2.1 – Силовые факторы в сечениях

цилиндрической оболочки пресс-поршня:

0 – точка середины сечения пресс-поршня;

а – радиус срединой поверхности пресс-поршня;

h – толщина оболочки;

Q – поперечная сила;

N_s – внешней равномерное

распределение по поверхности нагрузки;

M_x, M_y – изгибающие моменты;

Распределение температуры по толщине стенки предполагается линейными.

Поперечном сечении оболочки (сечении перпендикулярном к оси рисунок 2.2) на единицу длины действуют:

перерезывающая сила, Н/см

, (2.3)

изгибающий момент, Н см/см,

, (2.4)

В продольном сечении (сечении, проходящем через ось) на единицу длины приходятся:

Рисунок 2.2 – Напряжения в сечениях пресс – поршня

а – в поперечном: б – в продольном:

h – толщина оболочки; h – толщина оболочки;

Q – поперечная сила; N_B – продольная сила;

z – деформация в слое; M_B, – изгибающий момент;

M_x, – изгибающий момент; σ_ѲU, σ_ѲP – нормальное напряжение

σ_х – нормальное напряжение;

τ – касательное напряжение

растягивающая сила

, (2.5)

изгибающий момент

, (2.6)

При отсутствии нагрева

Напряжение изгиба в поперечном сечении распределения по толщине линейно

, (2.7)

где z – расстояние от точки до срединной поверхности.

Касательной напряжение в поперечном сечении

, (2.8)

В продольном сечении возникают нормальные напряжения растяжения

, (2.9)

и изгиба

, (2.10)

Нормальное напряжение в продольном сечении

, (2.11)

Для наружной поверхности [14].

Пластическое кручение пресс – поршня

При упругом кручении пресс – поршня максимальные напряжения в контурных точках сечения определяют по формуле:

, (2.12)

Опасный крутящий момент получится из условия, что максимальные напряжения будут равны пределу текучести:

Т_у = τ_y W_p = τ_y πd³/16≈τ_y 0,2d³, (2.13)

Возможно дальнейшее увеличение крутящего момента вследствие роста напряжений во внутренних, менее напряженных точках сечения.

Предельным состоянием для пресс – поршня будет такое, при котором напряжения во всех точках сечения станут равными пределу текучести.

Составим выражение для предельного крутящего момента как результирующего момента возникающих в сечении (в предельном состоянии) внутренних касательных сил:

, (2.14)

Рисунок 2.3 – Опасные крутящие моменты:

а – в поперечном: б – в продольном:

τ – касательное напряжение ρ– работа внешней силы;

τ – касательное напряжение;

dA – площадь сечения

Так как (площадь элементарного кольца), то

, (2.15)

Или

, (2.16)

Здесь

, (2.17)

Величина W_p.р1 называетсяпластическим моментом сопротивления при кручении.

Аналитическое решение поставленнойзадачи связано с большими трудностями. Необходимо большое количество последовательных вычислений, крометого, зависимость от времени в уравнениях (2.2-2.6) носит неявный характер.

Триботехнический аспект

Не менее важным фактором является, определяющим эксплуатационную стойкость и работоспособность поршневой пары является триботехника скольжения пресс-поршня в камере прессования.

Главными компонентами триботехнической системы модели являются детали на контактирующий поверхности воздействуют пары трения.

Триботехническая модель рассматривая в своем контексте трение, изнашивание, смятие действующие на поверхность пресс-поршня во время производственного цикла [20].

Трение. Сила трения движения – сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленной к общей границе между этими телами.

Более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон схватывания и сопротивления их разобщению.

Сила трения F обусловлена механическим взаимодействиями:

F = μ N, (2.18)

где μ – коэффициент трения;

N– сила нормального давления, Н

Коэффициент трения μ выражается по формуле:

μ=F/N, (2.19)

Смятие. Довольно часто одновременно со сдвигом происходит смятие боковой поверхности в месте контакта в результате передачи нагрузки одной поверхности к другой. При этом на поверхности возникают сжимающие напряжения, называемые напряжениями смятия, σ _см.

Расчет также носит условный характер. Допущения подобны принятым при расчете на сдвиг, однако при расчете боковой цилиндрической поверхности напряжения по поверхности распределены не равномерно. поэтому расчет проводят для наиболее нагруженной точки. Для этого вместо боковой поверхности цилиндра в расчете используют плоскую поверхность, проходящую через диаметр.

В общем виде уравнение литейного износа пресс – поршня за определенное время работы U (м):

, (2.19)

где V_др – объем металла, подвергающийся износу при дроблении абразивной частицы, м³;

V_пл – объем металла, подвергающегося пластической деформации, м³;

n_р – число циклов, приводящих к разрушению материала при пластических деформациях;

n_абр – количество абразивных частиц, поступающих в зазор за цикл, шт.;

к – коэффициент дробления;

m – число циклов за час работы;

A_a – номинальная площадь трения, м²;

Т – время работы, ч.

Формула для определения количества абразивных частиц:

, (2.20)

где – концентрация абразивных частиц % по весу;

– удельный вес абразивных частиц, кг/м³;

– средний диаметр абразивной частицы, м.

Общий объем метала (м³), подвергающийся пластическому и упругому деформированию (рисунок 1):

, (2.21)

где – площадь основания усеченного конуса, соответствующая моменту дробления частицы, м²;

– путь трения абразивной частицы до начала ее дробления, м.

Рисунок 2.4 – Схема внедрения абразивной

частицы в поверхность пресс – поршня:

h_др – глубина внедрения абразивной частицы;

R_абр. – средний радиус абразивной частицы;

а – длина хорды, определяемая глубиной

внедрения и радиусом абразивной частицы;

d_абр – средний диаметр абразивной частицы;

β_др – угол при вершине внедрения

абразивной частицы

Объем металла, подвергающийся упругому деформированию, (м³):

, (2.22)

Объем металла, подвергающегося пластической деформации (м³):

, (2.23)

Подставляем в формулу (2.24) выражения (2.19-2.22), получим зависимость для определения износа пресс – поршня:

, (2.24)

где – экспериментальный коэффициент, = 1 (м²/с)^0,8.

Условие прочности при смятии

, (2.25)

где А_см – расчетная площадь смятия

, (2.26)

d – диаметр окружности сечения;

δ – наименьшая высота соединяемых пластин;

F – сила взаимодействия между деталями;

[σ_см] – допускаемое напряжение смятия

, (2.27)

Рисунок 2.5 – Расчетная схема

на смятие пресс-поршня:

- площадь смятия;

d – диаметр окружности сечения;

h – высота сечения

2.2 Разработка вариантов конструкции биметаллического пресс – поршня

2.2.1 Базовый вариант конструкции пресс – поршня

В настоящее время на машинах ЛПД базового предприятия используется пресс – поршень, выполненный из стали марки 4Х5В2ФС ГОСТ 5950-2000.

Прессующий поршень (рисунок 2.6) представляет собой полый цилиндр с дном, имеющий внутреннюю резьбу для соединения со штоком. Полость предназначена для подвода воды с целью его охлаждения. В настоящее время разработано и опробовано большое количество конструкций прессующих поршней, различающихся исполнением передней торцевой и боковой поверхностей.

Рисунок 2.6 – Базовый вариант

конструкции пресс-поршня

Рисунок 2.7 – Базовый чертеж

конструкции пресс-поршня

В ходе эксплуатации стального пресс-поршня часто наблюдаются существенные потери усилия прессования в узле вплоть до заклинивания пресс-поршня в камере, а также повышенный износ деталей поршневой пары.

2.2.2 Вариант конструкции биметаллического пресс – поршня №1

Предложена техническая схема изготовления биметаллических пресс-поршней №1 (латунь на сталь), предусматривающая использование выработавшего свой ресурс базового пресс-поршня в качестве основы, которая устанавливается в кокиль, выполняя функцию литейного стержня, и заливается расплавом латуни ЛМцСКА ГОСТ 1020-97.

Для повышения надежности сцепления латунной рубашки и стальной основы биметаллического пресс-поршня проведена модернизация контактной поверхности заготовки, в частности, замена гладкой поверхности на фасонную.

Предлагаемая новая конструкция пресс-поршня рисунок 2.8 отличается наличием своеобразной латунной оболочки на стальной подложке, что позволит улучшить триботехнику скольжения пресс-поршня в камере прессования, уменьшить величину коэффициента трения за счет перехода от пары «сталь по стали» к паре «латунь по стали» не менее, чем на 50% (с 0,8 до 0,35), в условиях отсутствия смазки, а также снизить вероятность заклинивания пресс–поршня во время движения. При этом фасонная поверхность стальной основы позволит полностью исключить возможность относительного сдвига латунной рубашки во время производственного цикла.

Рисунок 2.8 – Чертеж

биметаллического пресс – поршня №1

2.2.3 Вариант конструкции биметаллического пресс – поршня №2

Предлагается следующая техническая схема изготовления биметаллических пресс-поршней №2 (латунь на сталь), предусматривающая стального пресс-поршня в качестве основы, которой выполняются четыре выреза квадратной формы в круг сечении пресс – поршня, затем заливается расплавом латуни ЛМцСКА ГОСТ 1020-97.

Для повышения надежности сцепления латуни и стальной основы биметаллического пресс-поршня выполнены фаски.

Предлагаемая новая конструкция пресс-поршня рисунок 2.9 отличается, содержащий стальной корпус и четыре латунных пояска, установленный вокруг корпуса, отличающийся от предыдущего варианта конструкции биметаллического пресс – поршня №1 тем, что конструкция корпус поршня представляет собой биметалл – сердцевина стержня стальная с профилем, а сверху наплавлена латунная обечайка в виде кольца.

Рисунок 2.9 – Чертеж

биметаллического пресс – поршня №2

Сравнительная оценка поршневой пары, выполненной по новым и базовому вариантам