Исследование процессов формирования пористых выплавляемых моделей, применяемых для изготовления высокоточного литья

Конкурентоспособность современных предприятий машино-, судо- и авиастроения во многом определяется материало- и энергоэффективностью технологий, направленных на получение конструкций и узлов деталей ответственного назначения. Применение литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) обеспечивает получение заготовок повышенной размерной и геометрической точности, сложной пространственной конфигурации из широкой номенклатуры сплавов. К недостаткам ЛВМ следует отнести многостадийность процесса и высокую стоимость конечного продукта, что предполагает недопустимость брака, доля которого может достигать 30 %. Брак в ЛВМ преимущественно вызван теплофизическими явлениями, сопровождающими ряд технологических операций и обусловливающими наличие напряжений в структуре воскообразных и керамических материалов, что определяет деформационные процессы в выплавляемых моделях и оболочковых формах. Для устранения негативного влияния теплофизического фактора и снижения напряжений в структурах промежуточных изделий процесса, выплавляемые модели формируют прессованием порошков воскообразных модельных композиций. При этом нерешенным остается вопрос релаксации напряжений в прессовках, приводящих к упругому отклику уплотненного материала и, как следствие, изменению размеров получаемого изделия. Поиск вариантов наиболее рационального режима формирования прессовки привел к необходимости проведения серии экспериментов, в результате которых предполагается достижение релаксации напряжений σ в условиях постоянной деформации сжатия, описываемого уравнением Кольрауша. Полученные в ходе эксперимента результаты позволят прогнозировать конечные размеры прессовок и сформировать математическую модель процесса, актуальную для широкой номенклатуры воскообразных модельных материалов, применяемых в ЛВМ.

1. Dogancan Okumus, Sefer A. Gunbeyaz, Rafet Emek Kurt, Osman Turan. Towards a circular maritime industry: Identifying strategy and technology solutions. Journal of Cleaner Production. 2023;382:134935. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134935

2. Gogolukhina M., Mamedova L. Organisational and economic aspects of deep modernisation and foundation projects of shipbuilding yards. Transportation Research Procedia. 2022;63:2072—2078. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2022.06.231

3. Chernyshov E.A., Romanov A.D., Romanova E.A. The quality control of high-resistance steel casting by optimizing the tempering temperature. Materials Today: Proceedings. 2021;38(4):1488—1490. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.134

4. Abayomi A. Akinwande, Adeolu A. Adediran, Oluwatosin A. Balogun, Moses Ebiowei Yibowei, Abel A. Barnabas, Henry K. Talabi, Bayode J. Olorunfemi. Optimization of selected casting parameters on the mechanical behaviour of Al 6061/glass powder composites. Heliyon. 2022;8(5):e09350. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09350

5. Li Changyun, Wu Shiping, Guo Jingjie, Su Yanqing, Bi Weisheng, Fu Hengzhi. Model experiment of mold filling process in vertical centrifugal casting. Journal of Materials Processing Technology. 2006;176(1—3):268—272. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.04.004

6. Yiping Lu, Xuzhou Gao, Li Jiang, Zongning Chen, Tongmin Wang, Jinchuan Jie, Huijun Kang, Yubo Zhang, Sheng Guo, Haihui Ruan, Yonghao Zhao, Zhiqiang Cao, Tingju Li. Directly cast bulk eutectic and near-eutectic high entropy alloys with balanced strength and ductility in a wide temperature range. Acta Materialia. 2017;124:143—150. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.11.016

7. Крушенко Г.Г. Повышение качества стального литого гребного винта для пассажирского речного судна. Судостроение. 2016;6(829):54—57.

8. Марков С.П., Муктепавел В.О., Мурзин В.В. Поверхностное упрочнение судовых гребных винтов из бронзы. Морские интеллектуальные технологии. 2019;4-1(46):97—101.

9. Абашкин Е.Е., Ткачева А.В. Влияние предварительного подогрева пластины на значения и распределение остаточных напряжений, образованных в результате наплавки. Морские интеллектуальные технологии. 2022;3-1(57):310—318. https://doi.org/10.37220/MIT.2022.57.3.040

10. Ayar M.S., Ayar V.S., George P.M. Simulation and experimental validation for defect reduction in geometry varied aluminium plates casted using sand casting. Materials Today: Proceedings. 2020;27:1422—1430. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.788

11. Pan Tao, Heng Shao, Zhijun Ji, Hai Nan, Qingyan Xu. Numerical simulation for the investment casting process of a large-size titanium alloy thin-wall casing. Progress in Natural Science: Materials International. 2018;28(4): 520—528. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2018.06.005

12. Kapranos P., Carney C., Pola A., Jolly M. 5.03 — Advanced casting methodologies: Investment casting, centrifugal casting, squeeze casting, metal spinning, and batch casting. Comprehensive Materials Processing. 2014;5:39—67. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.00539-2

13. Гаранин В.Ф., Иванов В.Н., Казеннов С.А., Курчман Б.С., Лищенко Н.Н., Озеров В.А., Рошан Н.Р., Сокол И.Б., Телис М.Я., Чулкова А.Д., Шкленник Я.И., Шкленник Л.Я. Литье по выплавляемым моделям. Под общ. ред. В.А. Озерова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1994. 448 с.

14. Радцевич Х.М. Расчет припусков и межоперационных размеров в машиностроении: Учеб. пос. М.: Высшая школа, 2004. 272 с.

15. Прокопчук Н.Р., Горщарик Н.Д., Клюев А.Ю., Козлов Н.Г., Рожкова Е.И., Латышевич И.А., Бакович Н.А. Модельные составы для точного литья. Весцi Нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя хiмiчных навук. 2015;(4):122—128.

16. Сапченко И.Г., Жилин С.Г., Комаров О.Н. Управление структурой и свойствами пористых комбинированных удаляемых моделей. Владивосток, Даль-наука, 2007. 138 с.

17. Foggia M.Di, D’Addona D.M. Identification of critical key parameters and their impact to zero-defect manufacturing in the investment casting process. Procedia CIRP. 2013;12:264—269. https://doi.org/10.1016/j.procir.2013.09.046

18. Оспенникова О.Г. Теплофизические и реологические характеристики синтетических смол для модельных композиций. Литейное производство. 2016;(10):26—28.

19. Tascioglu S., Akar N. Conversion of an investment casting sprue wax to a pattern wax by chemical agents. Materials and Manufacturing Processes. 2003; 18(5):753—768. https://doi.org/10.1081/AMP-120024973

20. Sapchenko I.G., Zhilin S.G., Potianikhin D.A., Komarov O.N. Mesomechanics of technological properties of powdered polymer compacts in Lost Wax Casting. AIP Conference Proceedings. 2014;1623:543—546. https://doi.org/10.1063/1.4899002

21. Винокуров Г.Г., Попов О.Н. Статистическое моделирование корреляции локальной плотности макроструктуры при одностороннем прессовании порошковых материалов. Известия Самарского научного центра РАН. 2011;13(1—3)(39):553—557.

22. Zhilin S.G., Komarov O.N., Bogdanova N.A., Amosov O.S. Mathematical modelling of forming processes in the conditions of uniaxial compaction of powder waxlike materials. In: CEUR Workshop Proceedings. “ITHPC 2021 — Short paper proceedings of the 6 th International Conference on information technologies and highperformance computing”. 2021. Р. 148—154.

23. Жилин С.Г., Богданова Н.А., Комаров О.Н., Соснин А.А. Снижение упругого отклика при уплотнении порошковой парафиностеариновой композиции. Деформация и разрушение материалов. 2020;(1):29—33. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2020-1-29-33

24. Dong Y.W., Li X.L., Qi Zhao, Jun Yang, Ming Dao. Modeling of shrinkage during investment casting of thin-walled hollow turbine blades. Journal of Materials Processing Technology. 2017;244:190—203. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.01.005

25. Michio Ito, Toshio Yamagishi, Yoshiki Oshida, Carlos A. Munoz. Effect of selected physical properties of waxes on investments and casting shrinkage. The Journal of Prosthetic Dentistry. 1996;75(2):211—216. https://doi.org/10.1016/S0022-3913(96)90101-8

26. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология. Концепции, методы, приложения. М.: Профессия, 2007. 560 с.

27. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. М.: Химия, 1979. 304 c.

28. Гальперин А.М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М.: Недра, 1977. 246 с.

29. Жилин С.Г., Комаров О.Н., Потянихин Д.А., Соснин А.А. Экспериментальное определение параметров регрессионной зависимости Кольрауша для пористых прессовок из воскообразных порошковых композиций. Инженерный журнал: Наука и инновации. 2018;2(74):9. http://doi.org/10.18698/2308-6033-2018-2-1732

30. Жилин С.Г., Богданова Н.А., Комаров О.Н. Влияние параметров уплотнения порошкового тела из воскообразного материала на формирование остаточных напряжений прессовки. Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2019;3(41):110—121. http://doi.org/10.26293/chgpu.2019.41.3.009

31. Павлов В.И., Аскадский А.А., Слонимский Г.Л. Графоаналитический способ расчета механических характеристик материала по реакции напряжения при постоянной деформации. Механика полимеров. 1965;(6):16—19.

32. Прибытков Г.А., Коржова В.В., Коростелева Е.Н. Прочностные свойства и особенности разрушения композитов систем Al—Cr и Al—Cr—Si, полученных горячим уплотнением порошковых смесей. Деформация и разрушение материалов. 2013;(8):13—20.

33. Nicole K. Aragon, Sheng Yin, Hojun Lim, Ill Ryu. Temperature dependent plasticity in BCC micropillars. Materialia. 2021;19:101181. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101181

34. Remo N. Widmer, Alexander Groetsch, Guillaume Kermouche, Ana Diaz, Gilles Pillonel, Manish Jain, Rajaprakash Ramachandramoorthy, Laszlo Pethö, Jakob Schwiedrzik, Johann Michler. Temperature-dependent dynamic plasticity of micro-scale fused silica. Materials & Design. 2022;215:110503. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110503