Методология снижения брака отливок

Анализ работы литейных цехов показывает, что доля бракованного литья в  во многих странах стоит на достаточно высоком уровне. В результате заводы несут многомиллионные убытки. Причина трудности ликвидации дефектов состоит в бессистемном подходе к их ликвидации.  Зачастую борьба с браком проводится методом проб и ошибок, а иногда и бессмысленных действий. В частности (пример  из практики), газовые раковины из отливки пытаются выводить через прибыли для питания термических узлов или забывают, что форма может способствовать образованию газовых раковин при наличии в нижней полуформе термических узлов.        Можно приводить множество примеров неправильных подходов при разработке литейных технологий.

Следует помнить, что литейное производство относится к классу сложных систем, формальное представление которых затруднительно. Это вызвано значительным количеством параметров, определяющих функционирование системы, сложностью, а подчас и не возможностью точного определения их значений.

В течение многолетней работы по повышению качества отливок нами был проведен системный анализ и создана методология выявления и ликвидации дефектов литых заготовок [1]. Она позволяет рассмотреть и использовать различные направления по повышению качества отливок. Схема методологии представлена на рис. 1. Методология использует качественные и количественные методы, способствующие выявлению и ликвидации дефектов, или моделированию литейных процессов.

Рисунок 1. Дерево компонентов методологии выявления дефектов и снижения брака отливок

Качественные методы не требуют специальных математических расчетов и базируются на логическом или эмпирическом определении дефектов. К качественным методам в представленной методологии относятся:

 Методика логического определения дефектов, содержащая:

·        дерево систематизации дефектов, позволяющее по характерным отличиям точно определить разновидность дефектов; 

·        граф цепочек причинно-следственных связей, который создается при исследовании этапов процесса формирования дефекта. По графу можно определить истинную причину возникновения дефекта;

·        граф способов ликвидации дефектов, способствующий определению наиболее эффективного способа устранения дефекта.

Описанная методика предназначена для технологов, которые владеют информацией о протекающих в литейной форме процессах формирования и затвердевания отливки. Если же знания о литейных процессах недостаточны, можно использовать методику эмпирического определения дефектов, которая подробно будет рассматриваться в следующих статьях. В настоящей информации, в качестве примера, рассмотрим методику логического определения светлых гладких блестящих раковин, которые зачастую образуются от повышенного содержания влаги в форме или стержне.

Первый этап. Определение разновидности дефекта.

Для того, чтобы ликвидировать газовую раковину, очень важно предварительно определить ее разновидность. Это довольно не сложно выполнить по  представленному на рис. 2 четырехуровневому дереву, где на каждом    уровне    приводятся    характерные отличительные    особенности светлых  газовых  раковин  [2,3].

Рисунок 2.  Визуально-логическая модель характерных отличительных особенностей   светлых газовых раковин с определением их разновидностей.

На первом уровне рассматривается цвет и состояние поверхности раковин. В данном случае это раковины светлые  гладкие блестящие. Они отличаются от других раковин ярко-светлым видом и могут быть быстро установлены при осмотре на площадке брака.

На втором уровне рассматривается различие раковин по их величине. Здесь  раковины представлены  с увеличенными и уменьшенными размерами, разделяющимися на 2 группы по причинам их возникновения.

На третьем уровне представлены места расположения раковин на отливке. Увеличенные светлые раковины располагаются в разных местах, а мелкие светлые раковины располагаются либо у поверхности отливки, либо по всей толщине стенки отливки. На этом уровне идет разделение мелких светлых раковин по месту их расположения на отливке. Следовательно, идет разделение причин возникновения светлых мелких раковин.

На четвертом уровне представлены форма и размер светлых раковин. Светлые увеличенные раковины разделяются на две разновидности: сферическую,   размером    от    5до    15мм,    и    очень крупную, сферической или другой формы, в том числе и  известную как «вскип», т.е. выброс   металла   из-за   интенсивного   парообразования   от   увеличенного количества влаги.

Из рассмотренной визуально-логической модели следует, что каждая из четырех рассмотренных разновидностей светлых газовых раковин имеет набор своих характерных отличий, принадлежащих в этой совокупности только одной разновидности. Изменение любого элемента в данной системе оказывает воздействие на изменение всей системы и делает затруднительным определение рассматриваемого дефекта отливки. Знание отличительных особенностей в рассматриваемой системе дает возможность литейщику на площадке брака быстро выявлять рассматриваемый дефект.

Определение  причин возникновения светлых газовых раковин  на основе причинно-следственных связей.

Приступая к определению связей между разновидностями дефектов и причинами их возникновения отмечаем, что  причинами возникновения средних, крупных и подкорковых светлых газовых раковин являются:

·        недосушенный или увлажненный стержень с содержанием влаги более 0,4 %;

·        переувлажненная формовочная смесь (содержание влаги более 5,0%);

·        горячая формовочная смесь (более 40 ^оС)  и холодный стержень;

·        выдержка собранной влажной формы более 2-х часов, при использовании гигроскопичных стержней не более 0,5 часа;

·        горячий стержень (более 40 ^оС) и холодная смесь.

Для перехода от конкретной разновидности дефектов к определению причин его возникновения были построены  цепочки  причинно-следственных связей. Результаты сверток этих цепочек позволят по характерным особенностям возникновения дефекта отливки относительно литейной формы и изменениям технологического процесса, определить наиболее вероятную причину его возникновения. Проанализируем характерные особенности разновидности дефекта и его возможные варианты  связей между причинами  возникновения светлой подкорковой раковины и системой определения разновидности этой раковины. В качестве примера используем дефект, возникший на отливке «Крышка», представленной фрагментом на рис. 3.а. Представленная   отливка  имеет   поражение   кромки пористостью, состоящей  из мелких  раковин. Такой дефект отчетливо просматривается с помощью бинокулярной лупы МБС-9 или даже  прибора МПБ-2 для определения диаметра лунки на поверхности металла при замере его твердости. При увеличении хорошо просматривается светлая гладкая блестящая поверхность раковин в виде извилистых каналов, свищами уходящих в металл. На рис.3.б представлено в увеличенном виде распределение раковин по поверхности кромки отливки. Сама кромка имеет ширину    не   более  10 мм.   Проникая    в    металл   через    корку  стенки    

Рисунок 3.а. Фрагмент отливки «Крышка» с газовыми раковинами	Рисунок 3.б. Фрагмент отливки «Крышка» с дефектом (увеличено)
Рисунок 3.в. Фрагмент отливки «Крышка» с газовыми раковинами (повернуто)		Рисунок 3.г. Фрагмент отливки «Крышка» с дефектом (повернуто и увеличено)

отливки,  газ собирается в увеличенные раковины, которые поражают отливку на небольшую глубину. Такая раковина представлена в сечении отливки на рис. 2.в, где просматривается  форма дефекта с гладкой поверхностью. На рис. 2.г при увеличении до 28 раз видна светлая поверхность раковины, уходящая своим устьем в сторону поверхности кромки с мелкими раковинами. Анализируя этот дефект с использованием  визуально-логической модели на рис. 2 можно отметить, что:

· поверхность  раковин  гладкая светлая блестящая;

· диаметр  раковин от 0,5 до 2 мм  при различной длине проникновения в металл в виде свищеобразных каналов;

· располагается раковина у поверхности отливки;

· на небольшой глубине обнаружены увеличенные по размеру раковины, возникшие в результате скопления газа из мелких свищеобразных раковин.

Проведенный анализ возникновения дефекта показывает, что данная раковина (рис. 3) образовалась на той поверхности отливки, которая находится рядом со стержневым знаком. В свою очередь стержневой знак входит в контакт с влажной поверхностью знака формы. В результате длительной выдержки стержневого знака в знаке формы, происходит миграция влаги из формовочной смеси в стержень.        Это способствовало увлажнению стержней от знака на окрашенную поверхность, где и расположена исследуемая кромка отливки. Следовательно, соединительным звеном между моделью систематизации разновидностей дефектов и  моделью выявления причин возникновения светлых раковин  служит именно место увлажнения стержня от влажной песчано-глинистой смеси. Путь возникновения дефекта можно установить при помощи поэтапного определения условий формирования дефекта,  т.е. выявлением цепочек причинно-следственных связей. Они состоят из следующих этапов технологического процесса: -> выдержка собранной влажной формы более 2-х часов -> увлажнение гигроскопичного стержневого знака от влажной смеси -> проникновение влаги через знак стержня на его рабочий участок ->  испарение влаги при контакте заливаемого металла с переувлажненным участком формы -> проникновение паровоздушной смеси через корку металла в полость отливки -> образование светлой подкорковой раковины. Следовательно, причиной возникновения дефекта явилась выдержка собранной со стержнями влажной формы более 2 часов.  Подобные  цепочки причинно-следственных связей были построены для каждой  разновидности дефектов. Пример графического изображения цепочек причинно-следственных связей для определения условий возникновения светлой подкорковой газовой раковины, представлен на рис.  4. Цепочки были определены в результате практического опыта, приобретенного в процессе устранения дефектов. Они служат соединительным звеном между  моделью систематизации  отличительных особенностей разновидностей дефектов и моделью  определения причин их возникновения и способов  ликвидации.

Ниже приведены три свернутые в модель  цепочки по определению причин возникновения светлых раковин. В первый граф  (рис. 4) вошли:

·        нижняя часть разновидностей дефектов (рис. 2) в виде гладкой светлой блестящей подкорковой раковины;

·         цепочки причинно-следственных связей;

·         верхняя часть  концептуальной модели выявления причин возникновения дефектов (рис. 6).

По аналогии с  описанным выше, построены две другие модели цепочек причинно-следственных связей для других светлых раковин, пример которых представлен на рис. 5. Рассмотрим представленные  модели более подробно.

На первом уровне  графа (рис. 4) расположена раковина светлая гладкая блестящая, подкорковая, характерные особенности которой представлены на рис. 2.

На втором уровне представлено графическое изображение  цепочек причинно-следственных связей, которые являются соединительным построением между разновидностью дефекта и причиной  его возникновения. На этом уровне описываются этапы  последовательного формирования условий возникновения дефекта относительно элементов литейной   формы   или   технологического   процесса.   К   ним   относится расположение раковин на отливке со стороны стержня, формы, стержневых знаков, их комбинаций, этапов технологического процесса и т.д.

Рисунок 4.   Граф  выявления причин возникновения мелких светлых газовых раковин на основе цепочек причинно-следственных связей.

На третьем уровне  рассматривается верхняя часть  схемы концептуальной модели определения причин возникновения дефектов (рис. 6). В ней описываются конкретные причины возникновения дефектов, к которым относятся:

·        недосушенный или увлажненный стержень;

·        переувлажненная формовочная смесь. Возможно холодная облицовка и горячая наполнительная смесь;

·        горячая формовочная смесь и холодный стержень;

·        выдержка собранной влажной формы более 2-х часов

·        горячий стержень и холодная смесь.

         Во второй граф  (рис. 5) вошли:

·        нижние части двух разновидностей дефектов (рис. 2) -  светлой  раковины размером от 5 до 15 мм и светлой раковины размером более 15 мм («вскип»);

·         цепочки причинно-следственных связей этих двух  дефектов;

·         верхняя часть концептуальной модели определения причин возникновения дефектов (рис. 6).

На первом уровне второго графа расположены две раковины светлые гладкие блестящие, характерные особенности которых представлены на рис. 2.

На втором уровне описывается методика определения причин возникновения дефектов на основе причинно-следственных связей, определяющих последовательность событий при формировании условий возникновения дефекта. Определяются характерные признаки, свидетельствующие о происхождении конкретной разновидности дефекта и строятся графы выявления причин на основе цепочек причинно-следственных связей между разновидностями дефектов и причинами их возникновения.

На третьем уровне  рассматривается верхняя часть концептуальной модели определения  причин возникновения дефектов (рис. 6). В ней описываются конкретные причины возникновения дефектов, к которым относятся:

·        непросушенная  краска на форме, локальное увлажнение  формы;

·        повышенная влажность стержня до 0,8%;

·        отсутствие вентиляции стержня, его низкая газопроницаемость;

·        конденсат влаги на опоке, влага в клее или краске;

·        переувлажненная смесь, локальное скопление влаги;

·        влажность стержня более 0,8%.

Схема  связи  причин возникновения и  способов ликвидации светлых газовых раковин

Следующим шагом после идентификации дефекта и определения причины его возникновения является определения способов его ликвидации. Представить структуру экспертных знаний по выбору способов устранения дефекта удобнее всего с помощью специальной схемы Схема с описанием некоторых причин возникновения трех разновидностей светлых гладких блестящих раковин – средних, крупных и мелких подкорковых и способов их ликвидации приведена на рис. 6.

На первом уровне  схемы рассматривается группа дефектов, описанная выше. Это раковины гладкие светлые блестящие, которые имеют одну природу возникновения, но различаются по виду, форме и расположению.

На втором уровне модели рассматриваются основные причины возникновения дефектов. Это повышенное содержание влаги в смеси, плохие условия фильтрации газа, конденсация влаги на стержне в собранной форме.

На третьем уровне  рассматриваются основные способы ликвидации дефектов. Здесь показано, что следует снизить повышенное содержание влаги в стержне и повысить его газопроницаемость, ликвидировать гигроскопичное связующее. При невозможности этого,  можно компенсировать эти отрицательные параметры созданием эффективной вентиляционной системы в стержнях. Также следует уменьшить повышенную влажность формы и повысить её газопроницаемость. При затруднении в проведении этих мероприятий, их можно компенсировать созданием хорошей вентиляционной системы формы.

Рисунок 6. Схема  связи  причин возникновения светлых газовых раковин и  способов их ликвидации.

1.Воронин Ю.Ф.  Повышение  качества   литья.  Системный  подход. Монография. – М.: Машиностроение – 1, 2007, 263 с. (формат А4).

2. Воронин Ю.Ф., Камаев В.А. Архитектура разновидностей светлых газовых раковин //Оборудование. Технический альманах. – март 2006. - № 1. – С.  69 – 73.

3. Воронин Ю.Ф. Дефекты литья. Причины возникновения светлых газовых раковин. //Оборудование. Технический альманах. – июнь 2006. - № 2. – С.  74 – 76.