автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Оптимизация теплового режима формирования отливок из алюминиевых сплавов в металлических формах в естественных условиях их охлаждения

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ФОНДИРОВАНИЯ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФОШАХ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ИХ ОШВДЕНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических науя

Р Г 6 од

- 5 ДПР 1933

На правах пукописи

УДК 621.74.043-982

Чуркин Алексей Борисович

Работа выполнена на кафедре литейного производства Уральского политехнического института.йм.С.М.Кирова и на кафедре автоматизации и технологии литейных процессов Свердловского инаенерно-педагогического института

Научный руководитель: доктор технических наук,профессор Ю.П.Поручиков

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

В. Ы,Замятин . ' кандидат технических наук . Г.П.Варышников

Ведущее предприятие: Свердловский научно-исследовательский . . технологический институт (СНИГИ)

Защита диссертации состоимся "¿¿Щ&гС^ г. в

час. мин. на заседании споциализИроштого совета Д.063.14.01 Уральского политехнического института им.С.Ц.Кирова. .

Отзывы на автореферат,заверенные гербовой печатью,просим направлять по адресу: 620002,г.Екатеринбург,К-2,Втузгородок, У ПИ им. С.М.Кирова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского политехнического института им.С.М.Кирова

Автореферат разослан "// " ^¿^У^ 199,2. г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук,профессор

.и

•..д/-

' -/-" Н.С.Иумаков

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В решении проблемы надёжности изделий машиностроения решающее значение имеет обеспечение стабильности качественных и эксплуатационных характеристик литых заготовок. Cm.*- :jh-ное литейное производство представляет собой сложную многофакторную систему.основные входные, параметры которой изменяются do времени. Естественный временной дрейф технологических факторов приводит к колебаниям эксплуатационных характеристик получаемых отливок иногда в значительных пределах. Известные метода стабилизации параметров процесса,например применение систем артоматичес-кой термостабилизацни работы кокилей связаны с усложнением конструкций машин и форм и не достаточно эффективны. Поэтому на практике они не получили широкого применения.

Важнейшим направлением в решении данной проблемы применительно к литью в металлические формы является оптимизация условий работы кокилей при их естественном охлаждении,основанная на статистическом моделировании процесса и установлении взаимосвязи между разбросом значений выходных параметров и дисперсией технологических факторов при их естественном дрейфе. Реализация данного направления позволит определить значения параметров,при которых разброс эксплуатационных характеристик получаемых отливок локализуется в допускаемых пределах. Очень важно,что реализация данного направления но связана с усложнением конструкций форм и применением специальных устройств.

Работа выполнялась в.соответствии с рядом программ АН СССР, Преобразования СССР и Совета Министров СССР.

Цель работы. Разработать методы оптимизации тепловых условий литья в металлические формы для обеспечения стабильности результатов производства на основе статистического иода лир вания процесса затвердевания отливок. ;

Для достижения указанной цели пврэд диссертацией были постав-лени следующие задачи:

- разработать методику л привести статистическое моделирование затвердевания отливок;

- определить пути минимизация срсдьаквадратичнпга отклонения продолжительности затвердзванил □ условиях естественного дрейфа входных параметров процесса;

- исследовать зависимость механических свойств отливок от

продолжительности их затвердевания;

- разработать методику определения геометрических и тепловик параметров кокилей для отливок различных конфигурационных типов, обеспечивающих заданный уровень стабильности выходных характеристик;

- провести экспериментальную проверку разработанных методик и выполнить анализ их эффективности;

- разработать и внедрить блок САПР технологии и оснастки для изготовления отливок в металлических формах под регулируемым давлением.

Научная новизна. Установлена функциональная зависимость механических свойств сплава АК7 в отливках от интегральной характеристики тепловых условий формирования отливки - продолжительности её затвердевания. Исследован характер временного дрейфа основных технологических параметров кокильного литья и определены соответствующие статистические характеристики. Установлен нелинейный характер зависимости параметров дрейфа продолжительности затвердевания отливки от параметров статистического распределения технологических факторов литья.

Созданы и обоснованы принципы многокритериальной оптимизации тепловой работы кокилей.

Практическая значимость работы и её реализация в промышленности. На основании выполненных исследований разработаны методики комплексного определения тепловых и геометрических параметров металлических форы. Установлена эффективность применения разработанных методик с точки зрения новь-пения качества отливок и стабильности результатов производственного процесса.сформулированы соответствующие рекомендации по организации технологического процесса, ■ позволяющие существенно расширять область стабильного получения качественных отливг-' в кокилях с естественны) охлаждением. Разработан специальный программный блок,включённый в комплексную САПР технологии и оснастки.

Результаты работы внедрены на ПО "Урзятрансмаш" с долевым экономическим эффектом 90 тыс.рублей в ценах 1990 года.

Основные положения,представленные к падите:

- в силу недостижимости полной стабилизации комплекса технологических параметров они должны определяться иа уровне,при котором их естественный дрейф не приводит к недопустимому разбросу важнейших выходных характеристик;

- геометрические характеристики форм и старшей (толцины их стенок и др.) должны назначаться не из соображений теплового баланса, а с учётом динамики тепловой работы форм и минимизации колебаний кинетики затвердевания в условиях реального нестабильного процесса;

- в качестве интегральной характеристики,определяющей при прочих равных условиях механические свойства отливки может быть принята продолжительность затвердевания.

Апробация работы. Результаты работы в период с 1937 по 1992 год доложены на международной конференции в г.Липецке (1989 г.), республиканской конференции в г.Днепропетровске (1590 г.).региональных конференциях в г.Свердловске (1987 г.),Омске (1989 г.), Перми (1939,1991 г.) и Рыбинске (1990 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано I7 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из б глав,основных еыеодрв,списка литературы из 100 наименований,прилоаений;содержит 31 О страниц машинописного текста, 47 таблиц и 61 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Нестабильность входных параметров теплового процесса в системе "отливка - металлическая форма - окружающая среда" отмечена в работах многих исследователей. Однако методика учёта этой нестабильности в тепловых расчетах затвердевания отливок практически не разработана. Вопросы выбора тепловых я геометрических параметров с точки зрения стабилизации теплового режима кокиля рассмотрены,в основном,на качественном уровне и,главным'образом, применительно к чугунному литью. Главное внимание исследователи уделяют управлению тепловм режимом кокиля с помощью его искусственного нагрева и охлаждения,а возможности управления при естественном охлаждении кокиля исследованы недостаточно.конкретные рекомендации практически отсутствуют. Недостаточное внимание уделено системным исследованиям зависимости механических свойств отливок из алюминиевых сплпвов от тепловых условий затвердевания.

Исследование влияния тепловых условий затвердевания отливок на их физико-механические свойства

При разработке технологического процесса изготовления отливок алге'иниейых сплавов остаётся открыть^ вопрос,из каких сосСг/з»:?-

ниЗ и каким образом следует рекомендовать тепловые условия формирования отливки,за какое время Ь шь должна затвердеть данная отливка. Очевидно,что скорость охлаждения сплава и t iATa при прочих равных условиях определяют механические свойства сплава в отливках,а также их качество. Если для чугунного литья существуют номограммы.позволяющие связать структуру и механические свойства стлизок со скоростью их охлаждения в форме,то'для алюминиевых сплавов таких рекомендаций нет. .

С целью установления зависимостей « os отливок из алю-.vi.H/.oai-K сплавов от тепловых условий и продолжительности их затвердевания были проведены эксперименты на отливках из сплава АК7 плоской и цилиндрической конфигураций,изготовляемых при обычном кокильном литье и вакуумным всасыванием.В экспериментах фиксировали термические кривые охлаждения сплава,по которым определяли продолжительность затвердевания отливки. Из осевых объёмов отливки ка двух симметрично расположенные по высоте ярусах вырезали темп-лоты для механических испытаний. Все отливки были залиты сплавом одной плавки. Механические испытания отливок проводили после их термообработки до режиму Т5. Скорость охлавдения сплава в форме, а,следовательно,к лродолзкительность затвердевания отливки изменяли путём варьирования начальной температуры формы Тго в пределах от 150 до 300 °С,а также толщины слоя кокильного покрытия в пределах 0,1 - 0,3 мы.

Для условий экспериментов обработка данных по методу наименьших квадратов позволила получить следующие адекватные уравнения.

Для обычного кокильного литья: а

-бе . ' (О

Для лктья вакуумным всасыванием: G-e = . R^ 0'-» ; <з)

8S - (A)

где Rnp - приведенная толщина стенки отливки,см; "¿мп^ть/й??-относительная продолжительность затвердевания отливки,с/см'*;

<о& и 8д - предел прочности на разрыв (НПа) и относительное удлинение 1%) сплава.

Следует отметить,что формулы (I) - (4) позволяют определить ре личину *2. 5А'т6 .при которой обеспечивается заданный уровень механических свойств. Разрешив уравнения (I)- (4) относительно

• ; • б v-

)^учим уравнения:

для обычного кокильного литья:

г «Т. - йг, С*>

для литья вакуумным всасыванием:

= С7)

Технологический процесс должен быть организован таким обра-)м,чтобы фактическая относительная продолжительность затвердевали отливки <2 5Лтв была меньше наименкпего значения из двух велики, определённых по формулам (5) и (6) или (7) и (8). Минимальная максимальная границы значений ¡¿ы*та определяются не только равнениями (5) - (8),но и возможностями практического достижения гих значений в реальных условиях литья.

Следует отметить,что формулы (5) - (8) носят частный характер применимы как первое приближение для отливок из сплава АК7.

Аналогичные зависимости по приведенной в диссертации методике эжно легко получить и для других сплавов и методов литья.

Из формул (5) - (8) наглядно следует,что нестабильность тепло-ых условий литья приводит к нестабильности ^ьлтв и,как следст-ие,механических свойств отливок.

Так как в реальных условиях невозможно обеспечить стабильность ажнеЙтх технологических параметров процесса,то для установления ависимости '¿гдтб от входных параметров необходимо выполнить ста-истнческое моделирование, затвердевания отливок в условиях крещеного дрейфа факторов в процессе изготовления отливок.

Статистическое моделирование затвердевания отливок

Математическую модель затвердевания отливок можно неявно запн-ать в виде краевой задачи теплообмена в системе "отдиака - форма-кружащая среда". Для тел классических конфигураций данная крае-ая задача сводится к следующей системе уравнений :

Ш - ^ + Л.. о * Ч' У ; (3)

Ъ1 'ъч2- -Ч' эч? ' ■

Ъ\ ~ Ч» эу 2

/Ш) =0, (") (Ш («)

V ЗУ

Т 2

Т1 V

н<» (с«(гхр«сг)ат 1 («) и,» (&

О О

рЛ/Ои'Ь С15)

т,(£-о)«тда-, (20) т2(^=0)=т2о, (20

рдо Т,СМ) 15 (Ч'»2) ~ соответственно температуря отливки и форм и; С., (Т) , (Т) , < (Т) - удельная эффективная теплоёмкость сплава,его плотность и теплопроводность как функции температуры; С^ (т) , ^ (Т) , ^¿(т)- удельная теплеем -кость .плотность и теплопроводность материала формы; К - ки~ оффпциент.зависящий от конфигурации отливки (для плоской [¡литы К =0, для пара К а 2 и для цилиндра К = I); о^ -коэффициент,теплопередачи на границе"отливка - форма"; а(г -коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности формы; Я -половина .толщины.стенки или'радиус отливки; Р = / -коэффициент,репный отноаению площади 3<рр охлаждения стенки формы о учётом её оребрения к площади наружной поверхности формы 5ез учёта рёбер или штырей; Ген - температура окружавшей среды; Т<о и Т20 -температура сплава непосредственно после его заливки в форму и температура стенки фермы г< начале эатвердевания очередной отливки.

Анализ системы (0) - (21) покалывает,что её решения являются функцией переменных Ч' и ,а также параметров: 2К ,

. Р , 8,/« .Тчо . Т20 ' Те«, Л2(т) . С2(Т).РгСг)

р,(Т)и '^(Т).

в

Система (9) - (21) определяет первый этап теплового цикла кокиля.После затвердевания, и выдержки отливки в форме в течение времени fc< отливка извлекается из формы и полуформы разводятся. Далее происходит естественное охлаждение стенок формы на воздухе в течение времени "tenА .определяемого принятым темпом работы кокильной машины. Затем полуформы смыкаются и начинается новый цикл.

Математическая модель второго этапа опирывается следующей системой уравнений;

= Ь + Л.12И (г*)

щ "нэп»*' > а* />

(^Wfc-.-^'ft^if-V.'ii'O;:. <»

u сК л

■ Ш&'^Ъ^ГЯ*' = : («)

где !Л ttp - .коэффициент теплопроводности кокильной краски.

. Начальная температура кокиля при затвердевании следующей отливки Тго «= T¿ •( 2 ° £емд ),где ( f¿" twA ) " реднённая температура стенки кокиля в конце второго этапа,т.е. при >¿ * я . Очевидно,что прй последователь-

ном изготовлении в кокиле серив отливок определяемая кинетику затвердевания температура Тго 0зависимости от тепловых и геометрических параметров,а такие темпа работы кокильной Минины будет в тех или иных пределах изменяться. В специальных экспериментах, выполненных в условиях литейного цеха,было установлено,что колебания Тйо относительно рекомендованных, значений могут достигать 50 - 200 °С. Это обусловливает соответствующую нестабильность условий формирования отливки,продолжительности её затвердевания, структура и механических свойств.

Важнейшим из указанных выше параметров .определяющих процесс, является фактор ТК = 2df R ,гдэ сС^ "Г/ +

+ » SfAi - толщина газового зазора между отливкой и

формой; - теплопроводность газа в зазоре.

Как показали выполненные в работе "эксперименты,толщина газового зазора существенно зависит от перепада давлений ЛР .прилагаемое к расплаву при затвердёвании отливок. При ¿Р > 29 К Па

влиянием газового зазора на кинетику затвердевания можно пренебречь и принять a 3W/J /<$кр. .Q Tt\ " / 3 Кр . ста условия соблюдался при всех разновидностях литья под регулируемым давлением. . . . •

Однако и в этом случае обеспечить строгую воспроизводимость коэффициента ТК невозможно,так как существующие методы нанесения кокильного.покрытия но позволяют достаточно точно обеспечить оад«:ную толщину слоя краски,а в процессе работы кокиля он изнашивается. Это* обусловливает случайный характер изменения SVp >а следовательно и ТК .в процессе изготовления отливок.

Выполненный в условиях литейного цеха ПО' "Уралтрансмаш" анализ изменения S(<p на ряде отливок в процессе работы кокилей в тсонлс смены показал,что Окр изменяется как нормально распределившая случайная величина при среднеквадратичном отклонении СГ^^ в предала:-; 0,02 ■:• С, 10

Для интенсификации охлаждения кокилей можно использовать увеличение их поверхности с помощью рёбер или штырей. В'работе разработана методика определения параметров оребрения.обеспечисаящих заданное аначеиие параметра Р

Суммируй сказанноо,можно заключить,что рассматриваемая тепловая система'является детерминированной по своей природе,но характеризуется .наличием случайных входам параметров,главными из которых являются Тдо » ' ТК и Tie • В соответствии с этим и основные выходмче величины,среди которых важнейшей является ' ^iato = tjAT5, /А R.'" , будут случайными величинами. При е.том репенне системы (2) - (21) при заданных фиксированных значениях входных параметров может быть адекватно полученным на практике результатам лизь случайно. Этим во многом объясняется скептическое отношение производственников к расчетным методам теории ратлердеванш;.

Сущность статистического моделирования затвердевания отливок сводится к решению краевой задачи (9) - (21) на ЭВМ,при которое г.начения величин T-to • Tao " вводятся с помощьы гског&тсра случаГашх нормально распределённых чисел с заданными значениями их математических ожиданий i\i и среднеквадратичных отклонений 3" . При каждом набора значений входных параметров: = , Р , R. и характеристик , Мт20 . М£кр.

Gt,1o ,. G*Tzo и GUV выполняли HMO расчётов при разных сяу;;г,йкых наборах значений Т»о. :» Tzo 11' 8кр • В качестве вк-

ходной величины в расчетах определяли относительную продолжи -телькость затвердевания '¿глть ■ Значения рлда параметров были зафиксированы: Р » I ,3>F =2 , Мт<0 - 725 °С и 6"г<0 •-= К °С. В расчётах вгрьировали: R (в пределах от 0,5 до 2 см), -Мтго (в пределах от 150 до 300 °С), <3"т2о (в пределах от 50 до ЮО , Мокр (в пределах от 0,01 до 0,03 см) :: G"3«p (в прзделзх^о? 0,002 до 0,005 см). Расчёты были спланированы по матрице 2

Целью статистического моделирования является определение конкретных рэгроссионных зависимостей статистических характеристик распределения величины ^злта от параметров: " , ^ Тс.о > G*Tao ' W , G'3vc¡- • В расчётах определяли следуяциз ста-гастичзскив характеристики £ ъдтс, : М Р^а-тй 11 ^¿злта -матекаг-п'гсс-эв оасиданае и -среднеквадратичное отклонение ;55'?затз-доворител» нкЛ интервал величины ^ ьлта относптедьниЯ довери-талиой интервал. ' «V\ '¿'jmj,

В результате обработки данных моделирования были получены cooTK'r'i'ctnyicqüo ур-.-нения регрессии для М ¡?за-т6 , G7j3vrñ , 5)'¿:,vl-a и 2)0^зать •

Найбодоа па-кно рассмотреть ззчнскмость относительной величины доркрятолыюго иктсроялА продояпияояьносг.! затвердезатшя. Угамювио гсгроссии имеет вкд

DO 0,35 г 0,143«Хр + 0,179'Хз. + 0,059-Х., + 0,035'Х5 +

+ o,i23*x¿ ::3, " ' (27)

где X, - - 1,053 - 8,21 / (Aítift - 204) ; X*,« Ц =» (М - 0,02)/0,01 ; ;<5 - ( CT2}ii> - 0,0025)/б,0015.

íúik следует из (27) с уявлглешм« М ^ и у;*.«':.:-

саател ,т.о. растёт р'дзС'роа сн.^пнии* у .Поэто-

му дзя ушазгния раабр-са знотягей '¿»¿¿4% ясоб/од.и/о толкну слоя красхи выбирать как мскно кенш».

Лсч&ты показала,что бес допол.штог.ыш:: кэсопрт.-гай еетоет-вошкй дргй-Ji входокх пер^мотроз койо-.- прпзссти к су^остго:?:;:-.:: (90 и более процоитоп) колебаниям пояичцны ¡¿ з,vr

Чз уравнения (27) следует,w кгаболызго влцяшяэ на рдпЗрос значений ffyvrs оказывает начальная' тмлзратурз формы (фаг^ор л,->) и её колебания (фактор Х5 ). Пэг-току* стаС лагацая топгоаого родима форг/ы являотсп решавшей в дэле обосг.атаиип стабильности эксплуатационных свойств получаемых сиз/.во::.-

IT

Оптимизация теплового режима плоских и цилиндрических кокилей

Всё многообразие геометрических типов кокилей принято разбивать на два укрупнённых типа: плоские и цилиндрические кокили. При оптимизации тепловых и геометрических параметров можно сформулировать следующие критерии оптимизации: получение отливок, удовлетворяющих техническим условиям по механическим свойствам и другим показателям качества{стойкость металлических форм; надёжность технологии,т.е. обеспечение стабильных характеристик отливок в реальных условиях производства при любых заданных темпах работы кокильной машины.

Как было сказано вызю, механические свойства и качество отливок при прочих равных условиях однозначно связаны с интегральной характеристикой процесса £ »лта .. В соответствии с этим надёзность технологии определяется чувствительностью при выбранных значениях технологических параметров к их естественник колебаниям.

Стойкость иатадличастах форд при прочих равных условиях определяется максимальными значзнияаи температуры Тм на внутренней поверхности кокиля и перепада температур ЪТ по его толтдош в лэтеГ.ноа цикла. . ' .

Для того чтобы осуществить оптимизацию,были выполнены машинные эксперименты,в которых с использованием метода конзчных разностей ропали краевую задачу (&) - (25) при варьировании факторов

Т40 . Т^о , ЗЭР , ТК н р , Расчеты были спланирована по матрица 5 . ■

В результата регрзсспокно!! обработки данных машинных акспе- ■ риментов били получены уравнаннл рогрессии для расчзта ,

, Тм |0 такко времени охлепдомия кокиля "Ь о нл поело удаления отливки до ксходкой температура Тг0 . Для плоских кокилей эти уравнения имеат сид: *

'¿»А-Г6 » 6,3 - 1,8§.Х4' + 1,7В«Хг + 0,79.Х3 - 0.-1?.X« + 0,1-х|хг

- 0,45'Х^ г 0,1- х|х_|Т 0,27. X¿Xr О.Ы.Х/Х^ , (2йу

ЭГ = 804,61 + 37,43.Х/ -30,6^ + 6,31-Хь + 23,2-Х« +

+5,а'Х5- 7,м<х}хг 7,е.х4"хг г.хе-ф^ гдь-х^х* н'

+ 3,23-Х]Х2, • (29)

где А - 313,7 + 3,48-х" + 75»1'Х3 + б,95'Х$ - 38,7'Х« - 6,22>Х£+ + Э,3>Х?Х* - 4,86'Х^Х^. 5 • (30)

В - охр { - 0,8932 + 0,Ш'Х'/+ 0,1233-Х^' + 0,4425^ -

- 0,7394-Х* + 1,4079-Х^ + 0,1434- 0,1327'Х/Хд + + 0,123'Х^ + 0,Н2'Х/Х{ + 0,093 'Х^Хд - 0,088-Х-Х'^ -

- 0,149'Х^Хд + 0,ИЗ.Х"лХ; + 0,142.Х^ - 0,157<х2<31) X," - 1,445 - Г,4/( ГК - 0,443) ; 1,232 - 0,646/(ГК - 0,711); х" « (ТК- 2,2б)/1,2б ; ( £*1-ТК - 0,6264)/0,6^64 ;

Хг . (Тц0- 225)/75 ; Х5» ( Х,0 • - 750)/50 ; Х^ =Д)Р-2 ;

Х5п ( р - 2,6)/2,4 ; х£ = ( Тр> - 5,3572)/0,3466 ;

Х'4 = ( - 6,6178)/0,0668 ; Х^ - - 0,54^3)/0,5493 ;

Ц* Р /1,6094.

Как следует из (28) величина £здт& наиболее сильно и нелинейно за г. и с ит от фактора ТК .связанного с толщиной слоя краски. Анализ выражения (28) показал,чт'о для того чтобы даже при 50%-ном колебании толщины слоя краски колебания ^зиа не превышали 10%, необходимо выполнение следующего условия

1,605 - У 2,7В + {7ЭА1в' /3,71 > х| £ I , (32) где - заданный технологией уровень относительной продол-

жительности затсердовзния.' . (

Если ловуи часть неравенства обозначить ,то

с учётом еырпкеиия.спязыЕйЕщего Х^ с ТК .найдём

(Т!0т»ив 0,711 + 0,646 /(1,232 - СкО п'^ ) . (33)

Так как ТК = ' К- / »то максимальное значе-

ние толщины слоя краски слэдуст вычислять по формуле

4 Лир • (I /(ТК)ш1п . • ^

Для обэслзчэиия заданного гизчанил £э*тг> величину температуры Тго слодуз? при опрздолёакой пначзшш фактора х| (см. Формулу (32)) опрэдэяять'ня уравнения (23)

Х2 * < Ьдта - 6,3 + 1,05-х{ - 0,7Э.Х5+ 0,17«X/, .. 0,1-Х/Хл>/ (1,78 - 0,45ОС'« * 0,8?.Ха - ); (35)

Тго =» 75«Ха + 223 . <ЭЗ)

Для того чтобы обэспочить поопро1'зпод!")ость усяяовкх условий кокиля в серии послодоваголышх аэливок,необходимо обаспе-

12

чить равенство величин Чо*п и ^еид = /4 К2 .где Т-бо1д -время охлаждения кокиля в раскрытом со стоянии .определённое заданным темпом работы кокильной машины.С учетом (30) имеем

(Ь-ТкО/б = , N

где А и В определяются по (30) и (31).

Как следует из формулы (29),для уменьшения перепада температурит .влияющего на стойкость кокиля,необходимо в пределах, устанавливаемых приведенным:! вьле уравнениями значений факторов выбирать значения РР и Р на минимальном,а Тг<? - на максимальном уровнях.

Система условий (33) - (37) представляет собой замкнутую систему для определения оптимальных значений факторов: IV, ,09 ,

>' Р .обеспечивающих получение отливок при колебаниях относительно заданных значений,не превышающих 1055 да'ке при значительном временном дрейфе технологических параметров; Аналогичная система была получена для изготовления сплошных отливок п цилиндрических кокилях,которая приведена- в диссертации.

В диссертации па основа использования приведенных условий разработана система автсыоткаиропалиого поиска оптимальна/, сна-чошй! факторов в итерационном процассо на ПЭВМ. Там ко приведена блок-схемы и соотввтстаушио прогршш ик реализации на ГГЭЕМ.

• Выполнена широкая проверка разработанной методики определения оптркалы-шх сшчш'Лл .т'апдааих н геомагркческих параметров на больп:ом количество окспериментальшх и производственных отливок, которая показала высокую степень её адекватности и эффективности.

^Оптимизация теплового рехпшз' кокилей пси нзготомюпии полых • отливок с металлическими и песчаш-от стес/нями

Анализ номенклатуры отливок многих литейных цехов показал, 41"о значительная часть отливок представляет собой полые тела цилиндрической формы или приближенной к ней. При отоы наиболее предпочтительно оформление полостей металлическими стержнями. Очеш. часто,исходя из простоты изготовления на практике применяет массивные сплошные стершш,которые в процессе работы кокиля интенсивно нагреваются. Ужа через' несколько заливок возникает проблема их охлаждения. Это не только снижает производительность кокильной машины,но и ухудшает качество отливок. В связи с этим в диссертации было выполнено математическое моделирование тепловой работы кокилей для отливок данного типа.

Математическая модель,кроме уравнений (9) - (21).включает в себя уравнение теплопроводности,написанное для полого металлического стержня,и граничные' условия для внешних и внутренних поверхностей стержня. При этом граничные условия'для поверхности контакта стержня с отливкой аналогично уравнениям (12) и (13).Полной "описание задачи предполагает задание 9 параметров: Т(0 , Тго ,

Tjo . = R/<?o .33S=Sct/5s,J)F=St/30, So , P , TKI-

= 8о/«?кр»гда Тзо - начальная темпетатура стержня; So -толщина стенки отливки; R - радиус стержня; Зет - толщина стенки стержня; S о -толщина стенки формы; Р - степень оребренип наружной поверхности формы и внутренней поверхности стержня. Для упрощения постановки задачи толщины слоёз краски на поверхностях формы и стержня приняты одинаковыми. Расчеты были спланированы по матрице . В результате выполнения машинных экспериментов были получены следующие уравнения регрессии:

£злтЗ = t.SATb./ So . = 10.13 - 4,06.xJ + I,45-Xa 4- 1,31-Х,

+ 1,1б.л4 - 0,73-Xg- 0,82-X5 - 1,24-X/Xj + 0,33'X¿Xj - 0,82

+ 0,82'X^ (33)

g.F»xji = tFoxfl/ So . r, (A F - T20 )/Вг , (39)

£Somi » tS.«/S£'e = .(AS - T3o )/5S , (40;

AF = 354,3 + 7,81 + 9,65«X3 + 15,^4-X,, + 61,1»X, - 6,6<X¿-- З9,6-Хэ +.4,7«Х;Х„ - 7,7-X¿X. •> 8,5<X¿X0 - 5,6'X¿X5 , (411 BF - exp.f - 1,01 + 0,U-X'2 +"o,3 X¿ +_0¡6-X¿- 0,4-X^ -

- 0,15Х'Г+ 0,1-Х^-Хд - 0,17'XfXÍ + 0,15-x"xl - 0,II«X;Xl + + 0,16-xX + О.Ц.ХдХд - 0,21-X¿XÍ + 0,14-xjxj + 0,17-xjxl -

- 0,I3-X¿4 4 0,'I1-X^; . (42) AS « 369 + 10,7. Xj + 16,4-X, + 56,7« X_~ + 12,7^ - 10,6-Xs -

- 34,2-Xr - 9,1 «X^ + 4,3-Xd + 7,1-XjX, - 4,7-X;X3 + 6,8'X;X4 -

- 7-Хал'З -4,3 -X^X.- + 3,9 -X¿X;, (43; bs =. exp{- 0,995 + 0,205 -х" + 0,I2I'X¿ + 0,31-Хз + О.б-Хд-

- 0,23-X7 + 0,35-xj - 0,135'X}xJ +• 0,2<Х^ - 0,17-X-X¿ +

+ 0,11-X/Xg + 0,2-X^ + Q,2"XjXg + 0,14-X^ - 0,I2-X^XL -

- 0,13-XgXs], ' (44) где t Fo**- продолжительность охлаждения формы после раскрытия кокиля дз температуры Т~2о ? "fcSoxn- продолжительность охллг-

дения стержня после удаления обливки до температуры Т}0. »

Х4 = (ТМ - 0,б)/0,4;; Хг- ( Тго - 225) /75 ; Хг,= ( Т30 - 225)/75 ; Х4 « ( - 750) 7 50 ; Х5 - ( Р --5,5 )/ 4,5 ; Х6» (2>Л - И) / 4 ; X, - ($5 - 1,5) / 0,5 ; ха » 8„ - 2 ;. хэ » (ЭР - 1,5) / 0,5 ; Х( « 1,15 -- 0,129 / (ТМ - 0,14) ; х}- + 0,9) /0,8 ; х'г « ( (Ьт10 - 5,357)/ 0,347х|- (4 Т5в - 5,357 ) / 0,347 ; Х^ = (0иТ<о- £,618 ) / 0,07 ; - ( & Р - 1,15) / 1,15 ; х' - (6и З>Й- 2,3) / 0,4 ; & - 0,35) / 0,35 V

Х^ = 80 - 0,545) / 0,545 ; Х^ » (®и 3>Р - 0,35) / 0,35.

Для качества отливки очень гажно.где ло толщине её стенки расположен термический центр. Целесообразно,чтобы его расположение было как можно ближе к геометрическому центру. При сильном разогрзве стержня термический центр может сместиться к внутренней поверхности отливки,что может привести к появлению поверхностной пористости иснижениюгерыетичности. Для расчёта координаты термического центра,т.е. места¿затвердевающего в последнюю очередь,получено следующие уравнения: -

« Вт/5о - (35 - 1).0,1 ; (45)

- 5,75 + 0,625-Х2 - 0,688.Х3 + 0,188-Х6 + 0,125'Х^Хв +

+ 0,125-Х;Хб - 0,125 ОЗДХ^ ,. (46)

где 8Т - расстояние термическою центра от внутренней поверхности отливки.■ ' .

Критерии оптилшзации в рассматриваемом случае аналогичны рассмотренным для плоских кокилей. Однако,для обеспечения локализации термического центра .вблизи половины толщины стенки отливки необходимо обеспечить минимум величины У «= |Н,2> - 0,51 . Анализ уравнения ^ (38) показал,что колебания не превысят

15% от рекомендованного значения даже при 50^-ных колебаниях величины толщины олоя;краски,если параметр Х< удовлетворяет неравенству ' | : .' '-. - - -

I > Х| ^ (1,61 - /0,21 + 0,052), (47)

С учётом приведенного выше выражения для Х^ получаем .

ТШ > + , (48)

^ (X; )т;ч - 1,61 - / 0,21 + 0,052.^^7 . ; (49)

(U

< * ,So . (so)

W ~~ (TM)hiu,

апример.при £>SAT6 = 6 с/см2 , 80 = 2 см и 0,005 Вт/(см-К).

xí = 0,89 ■ TK< " °'14 + 0,129 f (I'15 " °,89) = 0,64 и Skp )max =0,005-2/0,64 = 0,012 см.

Если принять §кр =0,01 см ,то даже при изменении 8*р в ределах от 0,005 до 0,015 см колебания не превысят 0,9

/см2. Из уравнений (45) и (46) следует,что минимум Ч'З'э дости-чется при рапных значениях. X¿ и Х3 .т.е. одинаковых начальных емпературах формы и стержня ( Тго = Т ъо ) •

Приняв в уравнении (33) Х^= Х5 и разрешив его относитель-о = X £ .получаем формулы для определения начальных значений 1,-мператур. формы и стержня,при которых с учётом ^анее вычисленно-

0 по (49) значения X { обеспечивается заданное значение •

Н = Х5= ( " 10,13 + 4'°б Х|' " IJ6'X4 + °'73'Х6 +

" + 0,82'Xg - 0,82'X¿Xg)/(2,?6 - I,24-X^ - 0,82-Х8 ) ; (51)

Тго = 75-X¿ + 225 ; (52) Т3о = 75.Х3 + 225 . (53)

Для того,чтобы эти значения Т20 и Т^о не изменялись при .сох последовательных заливках,необходимо выполнение условий

'¿Ро*л = ЧьыП (5-4) И , (55)

■до величины !1 охл определяются по формула!-) (39)-

44).

Уравнения (¡>1) и (55) с учётом' формул (39) - (44) позволяют 'пределить относительные толщины стенок формы и стержня (DF и ) ,а также требуемые степени.орйбрения поверхностей формы

1 стержня Р .

Так как число искомых параметров процесса ( В«р ', """го к Тьо , DF , , Р ) больше количества полученных уравне-

1ий (50,52 - 55),то п процессе оптимизации какими-то параметрами ;ледует задаваться. ■

В разработанной в диссертации программе автоматизированного :опска оптимальных параметров процесса на ПЭВМ реализован итера-понный поиск с использованием приведенных выше уравнений параме-роп Х>Р и D S .обеспечивающих степени арзбрення Р .близкие к дшшцс (при ¿'=1 оребрение отсутствует). Проверка адекватности олученных уравнений и'предложенной методики оптимизации лроцес-

са была проведена на серии отливок из сплава АК7,изготовляемых на установке ЛНД. В экспериментах измеряли продолжительности затвердевания 10 последовательно заливаемых отливок,а также температурные кривые для стер-кней и стенок формы. Эксперименты показали, что погрешность расчётных формуя находится в пределах погрешностей аппроксимации уравнениями регрессии данных машинных экспериментов (10 - 15%). Эксперименты подтвердили высокую надёжность рассмотренной методики: разброс данных по продолжительности затвердевания и механическим свойствам не превышал 15—2055 от рекомендованных значений. При произвольном определении параметров разврос данных по Ъыль достигал 100 «'более процентов.

Математическая модель для обливок,изготовляемых с песчаными стержнями,отличается от рассмотренной выше тем,что тепловые условия на границу "стержень - отливка" сформулированы в виде граничного условия четвёртого рода. Так как в данном случае приме-нкатся разовые стервди.то из рассмотрения исключается задача стабилизации начальной температуры стержня Тао .

Методики мотанных экспериментов,обработки ¡1 обобщения полученных данных аналогичны выше рассмотренным. В результате были получены зависимости,аналогичные условиям (.50) - (54) .положенные в основу разработанной методики автоматизированного опреде-лания параметров процесса: 8„р , Тго » и Р<? •

Экспериментальная проверка зависимостей и предложенной методики показала,что при любых практически реальных темпах работы кокильной машины рекомендованные значения параметров обеспечивает стабилизацию продолжительности затвердевания с разбросом её значений,не превьшащсу 15%. ■

Эффективность оптимизации теплового режима металлических Форм

Рассмотренные вышо методы оптимизации работы кокилей направлены на стабилизацию тепловых условий формнрЬвания отлиеки и их интегральной характеристики - продолжительности затвердевания.Однако,конечной цель» является обеспечение стабильности механических и эксплуатационных свойств отливок. Поэтому в роботе была проведена большая серия экспериментов как на опытных,так и на производственных отлииках. В экспериментах последовательно изготовлялись партии по 5 - 10 отливок каждого наименовании. Из стеноп отливок вырезали темплеты ддя исследования механических

свойств и макроструктуры,

Анализ экспериментальна данных показал,что з зависимост:: от набора значений технологических параметров а темпа работы литейной машины параметры структуры и механические свойства в процессе работы кокиля могут изменяться в значительных пределах.Р.^с-мер.зерна может увеличиваться в 10 и более раз,а механически; свойства снижаются от заливки к заливке на 50 и более процента. Такая нестабильность свойств отливок недопустима,так как являэг-ся одной из причин снижения надёжности. изделий. При существую':?'" системе контроля качества отливок испытание механических своСс?" каждой отливки чаще всего не проводится. Поэтому описанная нестабильность свойств не выявляется и отливки не отбраковываются.

Во всех экспериментах,выполненных при оптимальных значен':;.:; параметров,определённых по разработанным в диссертации методт::.,:, . Е'-'яэлена высокая стабильность структуры отливок и их механиче::;:;;: свойств. Разброс данных по S& не превышал 15 - 2С$, Изменен::.! размера зерна не превышали ¡50* от средних значений,

Отличительной особенностью предложенных методик язляетс;: простота их реализации. Они нз связаны с усложнением конструкг;-. кокилей и применением дополнительных устройств.

Опыт по использования методик показал,что металлические формы с естествешшм охлаждением имеют большие возможности как с точки зрения обеспечения изменения скорости затвердевания в широких пределах,так и стабилизации тепловых условий формирования отливок. Разработанные методики вопли в качестве отдельного бло;:~ в комплексную САПР технологии и о снастки,внедрённую на ПО "Урзг-трансман". Использованиэ САПР позволило не только облегчить проектирование технологии и оснастки и стабилизировать процесс,но и снизить затраты на отладку технологии и потери от брака.

Экономический эффект от внедрения САПР составил 90 тыс.рублей при доле автора диссертации 60 тыс.рублей (в ценах 1990 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в соответствии с поставленной целью исследования подтвердили положенные в основу научные положения,позволил:: получить следующие научные результаты и разработать практические рекомендации:

I. В качестве интегральной характеристики тепловых услориГ-(Ьормирования отливки »непосредственно связанной с её. эксплуата;;«-

онными характеристиками,можно принять продолжительность затвердевания отливки Ь эла . В диссертации получены зависимости,позволяющие оценить связь 1 Здт6 с основными механическими характеристиками. '

2. Наиболее нестабильными технологическими параметрами при кокильном литье являются толщина кокильного покрытия и температура форм и стержней перед заливкой. Разработана методика статисти ческого моделирования затвердевания отливки при естественном дре ф© указанных параметров.

3. Выполненное статистическое моделирование затвердевания плоских отливок позволило' получить формулы для оценки величины колебаний продолжительности затвердевания изготовляемых в кокиле отливок в реальных условиях нестабильности технологических пг раметров. Установлено , чг о для Минимизации дисперсии ^зато необходимо толщину слоя краски выбирать на минимально допустимом с точки зрения качества.поверхности отливки уровне.

4. Обработка данных машинных экспериментов на плоских и цилиндрических отливках,а также полых отливках с металлическими и песчаными .стержнями позволила получить регрессионные зависимост! положенные в основу оптимизации тепловых и геометрических параметров литья при естественном охлаждении кокилей.

5. Критериями оптимизации были приняты:

- обеспечение заданной.продолжительности затвердевания отл ки при заданном допустимом уровне её стабильности;

- обеспечение минимальных перепадов температур по толщине стенки кокиля,в .значительной мере определяющих стойкость кокиля

- локализация термического центра полых отливок вблизи геометрического центра их стенок.

6. Важнейшими технологическими параметрами,подлежащими опт мизации являются: толщина стенки формы,начальные температуры формы и стержней перед заливкой,толщина кокильного покрытия и

степзнь оребрения наружной поверхности формы.

7. Оребрение наружной поверхности формы позволяет не толы увеличить её жёсткость,но и существенно (до 10 раз) повысить ш тенсивность охлаждения кокилей между' литейными циклами.

8. Анализ полученных в машинных экспериментах уравнений р! ггессии позволил получить, зависимости для определения оптимально: значений пардаетров для кокилей и стлипок различных конфиг ра:;коннкх типов.-; • • '

' . . - •">. 1 • ¿.и •

9. Разработанные программы автоматизированного определения оптимальных технологических параметров вошли в качестве блока в состав САПР технологии и оснастки,внедрённую на ПО "Уралтрано -f/аш".

10. Экспериментальная и промышленная проверка рекомендованных методик определения оптимальных технологических параметров подтвердили их высокую эффективность. При их использовании обеспечивается высокая стабильность механических свойств даже при самых нестабильных условиях производства.

11. Отличительной особенностью предложенных в диссертации методов стабилизации теплового режима кокилей является то,что они не требуют усложнения конструкции кокилей и применения сложных дополнительных устройств.

12. Опыт применения разработанных методик показал широкие возможности кокилей с естественным охлаждением в обеспечении стабильных эксплуатационных свойств отливок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чуркин Б.С.,Чуркин А.В..Тихонравов Л.Ю. Система автоматизированного проектирования металлических форм в естественных условиях их охлаждения. В сб."Повышение эффективности литейного производства". Ом ск,1989.-С.78-80.

2. Чуркин B.C. .Чуркин А.Б.'.Шабалин А.Ю. Особенность работы прибылей отливок при литье под регулируемым давлением. В сб."Повышение эффективности литейного производства". Омск,1939.-С.34-35.

3. Чуркин B.C..Чуркин A.B. Статистическое моделирование теплового режима металлических форм. М.¡Литейное производство.1990, №10.-С.22-23.

4. Чуркин B.C.,Чуркин A.B. .Шабалин А.Ю. Имитационное моделирование теплофиэической системы "отливка - форма" с целью разработки АСУ ТП формирования литой заготовки. В сб. "Проблемы производства отливок¡производительность,качество,экономия". Пермь, 1989. - С.29-31..

¡5. Чуркин B.C. .Поручиков Ю.П. .Чурьин A.B. Стабилизация тепловых условий формирования отливок в металлических формах. В сб. " Прюблемы производства¡производительность,качество,экономия". Пермь,1989. -С.44-46.

б. Чуркин B.C.,Чуркин A.B. Математическое моделирование про-

цесса затвердевания цилиндрических отливок в металлических формах. В сб. "Разработка технологических процессов литья,проектирования оснастки и анализ качества с использованием ЭВМ". Ярославль, 1990.- С.82-83.

7. Чуркин B.C..Чуркин A.B..Графман З.И. Расчет тепловых и геометрических параметров металлических форм для отливок типа "плита". В сб."Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок". Днепропетровск, 19Э0.-С.106-Ю7.

8. Чуркин B.C.,Чуркин A.B. Система автоматизированного проектирования металлических форм в естественных условиях их охлаждения. В сб. "Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок". Днепропетровск, 1990.-С.107-103,

9. Чуркин А. Е,Чуркин Б. С. Оптимизация теплового режима кокилей для полых цилиндрических отливок//Известия вузов.Машиностроение. 1991Ж -С. 36-41.

10. Чуркин А, Б.,Чуркин Р.С.,Гофман Э.Б. Особенности работы литниковой системы при литье под регулируемым давлением. В сб. "Производство заготовок повышенной точности и малой трудоёмкости". Свердловск,1986.-С.56-58.

11. Иуыкхин Г.П.,Чуркин А.Б. О моделировании заполнения форм npi литье вакуумным всасыванием, В сб. "Прогрессивные технологические процессы и подготовка кадров для литейного производства". СвердловскД990.-С.141-147.

12. Гофман Э.Б.,Чуркин A.B..Богатков O.A. Автоматизация технологических расчётов при литье под регулируемым давлением. В сб. "Прогрессивные технологические процессы и подготовка кадров для литейного производства".. Свердловск,1990.-C.I58-I67.

13. Чуркин A.B..Богатков O.A. Определение параметров металлических форм .с ^чки зрения оптимизации их теплового режима. В сб. "Прогрессивные технологические процессы, и подготовка кадров для литейного производства". Свердловск, I99Ü.-C.II2-II7.

14. Гофман-Э.Б..Чуркин А.В.,Шебалин А.Ю. Опыт проектирования технологии с помощью ЭВМ при литье под регулируемым давлением// Литейное производство.1990 j?I0.-С.20-22.

15.Чуркин А. Б.. .Графман З.И.,Чуркин B.C. Статистическое 'моделирование технологических процессов в литейном производстве. В сб. материалов международной конференции. Липецк, 1989.-С. ¡';6-В0.-

16 Шумихин Г.П. ,Чуркин Л.Б. .Давыдов В.11. Получение биметалли-

зшости".Свердловск 1986.-С 78-79 автоматИЗированного рас-

тия вузов.Машиностроение. 1991,1Я2.-С. 16-17.

Подписано в печать 5.03.93. Формат 60x34/16. Бумага для множ.аппаратов Печать плоская. Усп.печ.п.1,25. Уч.-изд.л.1,3. Тираж 100 зкз. Заказ 3. Бесплатно.

Свердловский инженерно-педагогический институт. Екатеринбург, ул.Машиностроителей, 11.

Ротапринт СИПИ. Екатеринбург, ул.Каширская, 73.