автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса жидкой штамповки мелющих шаров из чугуна

На правах рукописи

ФРАНЦУЗОВА ЛЮБОВЬ СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ

ИЗ ЧУГУНА

Специальность 05.03.05 «Технологии и машины обработки давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в ГОУ Московский Государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор_

Кирдеев Юрий Петрович

доктор технических наук, профессор

Сосенушкин Евгений Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Елепев Сергей Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Лисуиец Николай Леонидович

Ведущая организация:

АХК ВНИИМЕТМАШ

Защита состоится « 24 » ноября 2005 г. в 14-00 часов на заседании Диссертационного совета К 212.142.02 при ГОУ Московский государственный технологический университет «Станкин» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вад-ковский пер., д. За.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 127944, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер. д. За на имя ученого секретаря совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГТУ «Станкин».

Автореферат разослан « ^ » 0(С-Г*и££/1&. 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Ю.П. Поляков

гоов-4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Используемые в шаровых мельницах мелющие тела могут иметь различную форму и изготавливаться из разных материалов. Номенклатура мелющих тел, используемых в настоящее время при размоле руд, угля, клинкера и других материалов, регламентирована государственными стандартами и техническими условиями заводов-изготовителей. В качестве материалов при производстве мелющих тел используется серый чугун, а при повышенных требованиях к изделиям -сталь. Наибольшим распространением пользуются мелющие тела в виде шаров, имеющих относительно простую форму и изготавливаемых из чугуна, как наиболее дешевого материала.

Технологическим процессом изготовления чугунных мелющих тел является, в основном, литье в песчаные формы или металлические кокили. Благодаря работам Гиршовича Н.Г., Спасского А.Г., Сергеева П.С., Не-хендзи Ю.А., Баландина Г.Ф., Вейника А.И. и других отечественных и зарубежных авторов создана тепловая теория литейных процессов, теория формирования кристаллического строения отливок, что позволило разработать и с успехом использовать в производстве множество технологических процессов изготовления отливок из различных материалов, в том числе и процессов литья под давлением. Однако эти процессы не лишены недостатков. Отливки могут иметь в своей структуре пороки в виде сосредоточенных усадочных раковин и микропор, образуемых литейными газами при кристаллизации. Необходимость массивной литниковой системы не позволяет изготавливать мелющие тела с высоким коэффициентом использования металла, который не превышает 0,40 0,55. С другой стороны, наличие литейных пороков существенно снижает механические характеристики мелющих тел, что негативно влияет на сроки их службы.

Рациональное использование металла во многом определяется применением в машиностроении альтернативных методов получения заготовок, в частности, жидкой штамповки или штамповки кристаллизующегося металла.

Фундаментальные и прикладные исследования, проведенные в работах Пляцкого В.М., Полухина П.И., Деордиева Н.Т., Батышева А.И., Лип-чина Т.Н., Новрузова Г.Ф., Гришина Л.Г., Кирдеева Ю.П., Ракогона А.И. и других ученых, позволили внедрить в производство процессы штамповки кристаллизующегося металла. Точная дозировка расплава позволяет упразднить литниковую систему, минимизировать припуски на механическую обработку при изготовлении поковок, тем самым повысить коэффициент использования металла до 0,93. Приложение внешнего давления в период кристаллизации поковки полностью устраняет газовую пористость, подавляет реакцию графитизации чугуна, повышает механические характеристики и твердость штампуемых поковок, а также существенно увеличивает скорость кристаллизации, что благоприятно сказывается на стойкости рабочих деталей штампов.

Однако влияние основных технологических параметров штамповки кристаллизующегося металла на свойства получаемых поковок изучены не в полной мере, так как процессы, связанные с фазовыми превращениями при кристаллизации, являются сложными и нестабильными, напрямую связанными с изменяющимися условиями теплообмена поковки с рабочими деталями штампа. В связи с этим разработка и исследование процессов штамповки кристаллизующегося металла является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Изготовление штамповкой кристаллизующегося металла мелющих шаров из чугуна, обладающих повышенными механическими и эксплуатационными характеристиками.

Методы исследований. Тепловые поля поковки исследовались методами классической теории теплообмена. В качестве метода численных экспериментов применялся метод конечных элементов. Методами теории упругости и ударных систем исследованы эксплуатационные характеристики мелющих тел. Анализ экспериментальных данных осуществлялся с помощью методов математической статистики.

Разработанные теоретические положения подтверждены экспериментом и успешным использованием в производстве эффективного технологического процесса.

Научная новизна состоит:

- в разработанной математической модели теплообмена, учитывающей влияние переходных процессов на границе жидкой и твердой фаз;

- в экспериментально установленной взаимосвязи внешнего давления с условиями возникновения дефектов при штамповке кристаллизующегося чугуна.

Практическая значимость состоит в разработке рекомендаций по выбору основных технологических параметров штамповки кристаллизующегося чугуна при изготовлении мелющих шаров.

Апробация работы. Основные положения и наиболее интересные результаты работы доложены и обсуждены на II Международной конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование ОМД» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2004» (г. Москва, МЛТИ, 2004 г.), на Седьмой районной научно-практической конференции учащихся, студентов и молодых ученых (г. Егорьевск, 2004 г.), на 49-й Международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (г. Москва, МГТУ МАМИ, 2005 г.), на VIII Международной научно-практической конференции «Наука и образование -2005» (г. Белгород, 2005 г.), на Международном научно-техническом семинаре «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств» (г. Москва, МГТУ «Станкин», 2005 г.), на Международной научно-технической конференции «Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением» (Украина, г. Краматорск, ДГМА, 2005 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (г. Рыбинск, РГАТА им. П.А.Соловьева, 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка, 24 таблицы, список использованной литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные положения работы, определяющие ее научную новизну.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведен анализ номенклатуры мелющих тел, выпускаемых промышленностью, согласно действующим стандартам, и освещены особенности эксплуатации шаровых мельниц. Поскольку в качестве основного материала при изготовлении цильпебсов и шаров используется чугун, дана классификация, области применения основных марок чугуна и особенности структуры, разработанные Ю.А.Геллером.

Возможности изготовления мелющих тел из чугуна с заданными механическими характеристиками для шаровых мельниц в настоящее время могут быть расширены за счет реализации, наряду с процессами литейного производства, технологии штамповки кристаллизующегося металла. Дано описание основных разновидностей технологии штамповки кристаллизующегося металла, используемых промышленностью.

Управление основными технологическими параметрами дает возможность избежать недостатков, сопровождающих литейные процессы в виде повышенного расхода металла на литники и прибыль; усадочных и газовых пустот в структуре металла заготовок; свободного графита в металлической основе чугуна, нарушающего сплошность.

В работах ряда авторов Пржбыла Й., Баландина Г.Ф., Белопухова А.К., Бидули П.Н., Гребенюка Г.С. анализируются основные факторы, оказывающих влияние на появление макро- и микропор и их суммарный объем FMp, которые описываются функцией вида:

^мр f

p Ьш U p

(1)

Часть факторов определяются свойствами сплава и поэтому возможность управления их величинами весьма ограничена. Поскольку химический состав используемого сплава определен и изменению не подлежит, то управлять интервалом температур затвердевания (Т,- Ts) становится невозможным. Кроме интервала затвердевания конкретного сплава, нельзя повлиять ни на его вязкость v при температурах затвердевания, ни на коэффициент теплопроводности X, ни на плотность р расплава. Толщина сечения х и конфигурация поковки также заранее определены и изменению не подлежат. Остаются 3 фактора, которыми можно управлять: Ьш - коэффициентом тепловой аккумуляции металла штампа; U - скоростью затвердевания сплава; р давлением на расплав при затвердевании. Температура штампа, а значит и Ъш в момент заливки в него расплава, в значительной мере определяют скорость кристаллизации, и, следовательно, средний размер и форму кристаллов в поковке, так же температура штампа влияет на шероховатость поверхности поковок. При заливке в холодный штамп будет формироваться столбчатая структура, которая может распространяться на все сечение поковки, как утверждают Баландин Г.Ф., Гришин Л.Г., Гришин A.B., Шибаков В.Г., Новрузов Г.Ф. и другие авторы. Кроме того, без предварительного подогрева в сечении штампа возникает высокий температурный градиент, что приводит к повышению уровня температурных напряжений. Скорость продвижения фронта кристаллизации зависит от температуры расплава при заливке и интенсивности теплопередачи через затвердевшую корку и штамп в окружающую среду.

Повышение давления прессования, при прочих равных условиях, приводит к измельчению структуры поковки в результате изменения условий теплообмена и термодинамических параметров кристаллизации, а также в результате механического воздействия пуансона на растущие кристаллы. При штамповке затвердевающей поковки кристаллы частично дробятся, образуя дополнительные зародыши кристаллизации.

На основе проведенного критического анализа литературных данных удалось установить, что в настоящее время противоречивы или отсутствуют:

- обоснование выбора термомеханических режимов при реализации штамповки кристаллизующегося чугуна;

- методики расчета необходимого давления и времени выдержки под внешним давлением для полной кристаллизации при штамповке чугунных деталей;

- методики оценки влияния возможных дефектов структуры штампованных заготовок на их эксплуатационные характеристики.

Для устранения имеющихся противоречий и достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику выбора рациональных термомеханических режимов штамповки кристаллизующегося чугуна;

- создать математическую модель нестационарной теплопроводности с учетом конвективных процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз при штамповке кристаллизующегося металла;

- на основе математической модели разработать методику определения компонент времени цикла штамповки кристаллизующегося металла для получения заготовок с заданными механическими характеристиками;

- разработать методику расчета допустимых параметров дефекта структуры чугунных заготовок;

- разработать рекомендации по промышленному использованию предлагаемой технологии.

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ШТАМПОВКЕ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ МЕТАЛЛА

Для нахождения температурных полей в расплаве Т1(х,т), твердой корке Т2(х,т) и в штампе Т?(х, т) необходима система дифференциальных уравнений теплопроводности Фурье в виде:

дТ, _ д2Г,

_ 1 2 где а ~ - коэффициент температуропроводности, м/с; ср

с - удельная теплоемкость вещества, Дж/(кг><К);

/=1,2,3 соответственно для расплава, твердой корки и штампа и необходимые для решения этой задачи краевые условия: в начале процесса, при 1=0

Г, (х,ОМмч;Т3(х,0)=Тш;С(0)=0; (3)

на границах:

I рода - при х=+оо Т](+<ю ,х )=Т зал ; (4)

Iрода-при х = -оо Тз(-оо,х)=Тш ; (5)

IV рода при х-0, т.е. на поверхности контакта затвердевающей поковки и штампа:

дТ2(0, г) дТз(0, г)

--(6)

и

Г2(0(т)=Г3(0,т)=Г„, (7)

где Т„ и Тш температура поковки и штампа соответственно.

Согласно тепловой теории затвердевания, разработанной А.И.Вейни-ком и Г.Ф.Баландиным, при заливке расплава металла в полость штампа фронт кристаллизации распространяется от поверхности контакта вглубь кристаллизующейся заготовки с некоторой скоростью затвердевания

тт ^

и - ——. Толщина корки с течением времени ск увеличивается, если ат

температурное поле расплава Т](х,т) обладает свойством, согласно которому на фронте затвердевания при х=к2(т):

1 дх 2 2 дх

где Ь - удельная теплота кристаллизации сплава, Дж/кг; к2(т)=(0 - С,{х) -координата фронта затвердевания; - половина толщины стенки поков-,, ч Л дТ,(к7,х)

ки; <7|(Л2,т)= —--- - плотность теплового потока от перегретого дх

расплава к твердой корке; 1-РР - скорость выведения теплота кристаллизации в результате роста толщины корки от единицы площади поверхности охлаждения расплава в штампе; р2- плотность металла твердой фазы, кг/м3.

Введя новую переменную и, = 0,5х / ^[ау:; (здесь 1=1, 2, 3, если при г'=3 принять |х|), получим вместо системы дифференциальных уравнений в частных производных уравнения в обыкновенных производных, решением

Лт> л -и2

которых являются функции: — = л(е ' и, следовательно, температурные

¿щ

2,

поля определяются Т,=В, + А,ег/ (и,), а ег/{и1) = _ \е~а ёа - функция

л!П 0

ошибок (интеграл ошибок Гаусса, или функция Крампа); А, и В, - постоянные интегрирования.

Для расплава (при г'=1) из краевых условий (3) и граничных условий Г, (С1,х)-Т2 (С,,х)-Ткр, а также, принимая во внимание, что толщина твердой

корки зависит от времени охлаждения и изменяется по закону квадратного корня С,=Шл[х при /и=сопй, получим выражение для определения посто-

янной интегрирования В] = Тзал -

1 зал 1 кр

\-erf

/ NN ' 0,5т

№

(9) Сле-

довательно, температурное поле расплава:

_ ^ зал ^зал ?кр )>

\-etf

\-erf

Г0,5т\

I

(10)

Вычислив по аналогии температурные поля твердой корки Т2 и штампа Тз с использованием соответствующих граничных условий (7), получим уравнение:

, и „ \ ( 0,25т ^ ( 0,25т2Л г Ь^ - Тя )ехр - --ехр---

_у а2 ) ,<т т \ У а. ; ....

ЬРг-Т~т=-7-7-чч--Щм-ТфУ?-7-уГ, (11)

2 , Ьэ 0,5т 11 [ ], 0,5т | ]

{ Ь2 I <а2 )) I ))

где Ь1 = Л, /дД" = т]Л,с,р, - коэффициент тепловой аккумуляции расплава (г=1), твердой корки (¿=2) и штампа (¿=3).

Для учета конвективного теплообмена на границе раздела жидкой и твердой фаз в формулах плотности теплового потока ql и коэффициента тепловой аккумуляции перегретого расплава Ь| вместо коэффициента молекулярной теплопроводности неподвижного расплава Яй следует подставить эффективное значение, учитывающее конвекцию расплава Я^:

Хзф=к0+О[ф .х^т^А-, (12)

п '

где

= (13)

Решая уравнение затвердевания (11), можно вычислить значение константы затвердевания т, или при необходимости определить время затвердевания г для штампуемой заготовки.

Таким образом, математическая модель, описывающая нестационарную теплопередачу при штамповке кристаллизующегося металла, позволяет учесть конвективные процессы на границе раздела жидкой и твердой фаз.

Глава 3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ШТАМПОВКУ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ МЕТАЛЛА

К основным параметрам штамповки кристаллизующегося металла, определяющим качество штампуемых поковок и производительность процесса, принято ошосить следующие: температуру жидкого металла, заливаемого в штамп; температуру рабочих деталей штампа; давление в процессе кристаллизации; время выдержки под давлением.

Температура заливки зависит от температурного интервала затвердевания металла. Чем шире этот интервал, тем ниже может быть температура заливки расплава, входящая в решение уравнения затвердевания, и которую обычно выбирают минимальной для конкретных условий его охлаждения во время заполнения штампа, но большей по сравнению с температурой кристаллизации металла. Реализация предельно низких температур перегрева, способствует устранению газовых раковин в изделии, уменьшению времени выдержки сплава до полной кристаллизации и, как следствие, повышению стойкости штампового инструмента.

При чрезвычайно высокой температуре залитого металла усадочная раковина имеет глубокое залегание и, сверху нее отдельные ветви дендри-тов перекрывают островки расплавленного металла на значительной толщине, через которые затруднительно пропитать изделие с помощью того давления, которое обычно применяется.

Итак, если температура заливаемого металла чрезмерно низка или велика, то в том и другом случаях требуется увеличение внешнего давления, поэтому необходим расчет температуры заливки:

Правильно выбранная температура нагрева штампа предохраняет залитый металл от быстрого затвердевания по периферии и дает возможность получить поковки с удовлетворительной чистотой поверхности и без внутренних пороков на участках близких к периферии.

Для определения установившегося значения температуры штампа, в процессе его работы необходимо выполнить расчет теплового баланса. Если количество теплоты, полученное инструментом от поковки меньше количества тепла отводимого в атмосферу, то штамп чрезмерно переохлаждается, и его необходимо подогревать в процессе работы.

Если количество теплоты, полученное штампом от охлаждающейся поковки больше количества тепла отводимого от штампа в атмосферу, то это приводит к перегреву инструмента выше допускаемой температуры. Для устранения этого и для обеспечения бесперебойной работы необходи-12

(14)

мо устройство в штампах водяного охлаждения, либо увеличение времени технологического цикла.

Ограничение влияния циклического температурного воздействия со стороны штампуемого металла на инструмент может быть достигнуто за счет уменьшения времени контакта, уменьшения температурного напора, нанесения теплоизоляционных прослоек в виде технологических смазок.

Возможность изменения времени контакта ограничена, так как эта составляющая времени цикла определяется спецификой штамповки, связанной с окончанием процесса кристаллизации металла по всему объему заготовки. Однако в некоторых пределах время контакта можно снизить, увеличив скорость затвердевания путем интенсивного стока тепла в инструмент. Снизить величину температурного напора ДТ можно либо уменьшением температуры расплава, но не ниже температуры кристаллизации Т,ф, либо обеспечением подогрева рабочих деталей штампа. Однако повышенная температура предварительного подогрева инструмента (573°К и более) хотя и снижает температурный напор ДТ, но ведет к резкому увеличению температуры рабочей поверхности (только за один цикл 1050°К и более), что также является нежелательным из-за ограничений по теплостойкости штамповых сIалей. Это обстоятельство приводит к усилению изнашивания рабочей поверхности, а при интенсификации ее охлаждения, способствует появлению трещин термической усталости (разгарообразова-нию).

Анализ результатов численных экспериментов дает возможность оценить степень влияния температурного интервала заливки на температуру контактной поверхности инструмента и величину температурного напора. Это можно сделать по графику на рис. 1 ,а.

У / !

Г г! |

у

у г

*

|

—Темпер етурный на

1460 1600 14« 1«00 1090 >700 Температура млими °К

Л ч

£

ч

ч

яю яо «и «о тот Тш перегара штампа °К

а) б)

Рис 1. Изменение температуры контактной поверхности и температурного напора-а - в зависимости от температуры заливки расплава; б - в зависимости от температуры предварительного подогрева инструмента

Вблизи точки пересечения линий лежат рациональные температуры заливки расплава чугуна в штамп. Проведенные численные эксперименты показали, что наиболее благоприятным является интервал температур предварительного подогрева инструмента 523 - 573°К. В этом случае ДТ составляет соответственно 1088 - 988°К.Это видно из графика на рис. 1,6 который показывает влияние температуры штампа на величину температурного напора и температуру контактной поверхности.

Давление, подаваемое на жидкий металл, залитый в штамп с некоторой температурой перегрева, в известной мере повышает концентрацию расплава, что приводит к захолаживанию жидкого металла и, поэтому изменение агрегатного состояния (кристаллизация) проходит при более высоких температурах. Это обстоятельство выражается уравнением Клапей-рона-Клаузиуса, решая которое, найдем пропорциональную зависимость температуры кристаллизации от давления:

(15)

где Ткр - абсолютная температура кристаллизации чугуна, °К;

Р - прикладываемое внешнее давление, МПа;

АГ = 7Ж. - Утв - разность удельных объемов жидкой и твердой фаз.

Давление, приложенное к жидкому металлу, воздействует одинаково на весь его объем, что позволяет перевести весь расплав одновременно в 14

переохлажденное состояние и получить мелкозернистую структуру равномерно во всем объеме заготовки. Междендритные и внутридендритные капиллярные поры, которые в обычных условиях не пропитываются метал-лостатическим давлением, в условиях избыточного давления пропитываются гораздо лучше. Принудительное перемещение жидкой фазы приводит к ломке ветвей дендритов, что способствует образованию дополнительных центров кристаллизации. При повышенных давлениях на расплав заготовки получаются практически без пористости, и их плотность повышается. Зависимость размера микропор от величины давления для чугуна ггред-

При увеличении давления размер пор резко уменьшается и стремится к нулю. Величина давления 250-300 МПа, рекомендуемая при штамповке кристаллизующегося чугуна, практически устраняет газовую микропористость, т.к. размеры пор не превышают 0,12 мкм.

Время охлаждения заготовки складывается из времени отвода теплоты перегрева и времени затвердевания. Отвод теплоты перегрева начинается с попаданием первых порций расплава металла в штамп. Характер протекания процесса определяется параметрами поковок и штампа в момент окончания процесса заполнения штампа расплавом. Очевидно, при течении металла его температура может изменяться лишь в незначительных пределах - в пределах температуры перегрева. Для расчета первого этапа охлаждения расплава в штампе следует принять начальные условия: Тк =Ткр; Тс -Тш; Т0=Тзал;

С учетом конвективных процессов на границе раздела фаз эффективное значение коэффициента теплопроводности вычисляется по формуле (12). Время отвода теплоты перегрева:

ставлена в виде графика на рис. 2.

!

|

у |

\ 1

|

\ |

. 1

0 100 200 300 «0 500

Давление, МПа

Рис 2 Влияние давления прессования на размеры микропор, которые могут остаться в структуре после кристаллизации

£ с\щ

^зал ^кр ,)

^■эф Р'пов (Тзал Тш) где С, - толщина твердой корки, м; т^Ур, - масса расплава, кг; Тпер = ~ ТЦр ] - температура перегрева расплава, °К; АТ = {Тзал -Тш) - температурный напор, °К;

У г0

Кп =-= — - приведенный размер для поковки в виде шара ра-

^нов 3

диусом г0.

Полученные расчетные данные времени а) и скорости б) отвода теплоты перегрева представлены в виде графика на рис. 3.

0,25

? 0,15

С р

-с* =0,025 -(1=0,04 <1=005 <¡=0,06 - <3=0,07 -<(=0,08 <1=0,09 -<1=0,1 <1=011 <1=0,12

1600 1700

Температура заливки, К

1420 1430 1440 1450

Темлсевгмжкрсталпюаяил к

а> б)

Рис. 3. Изменение времени отвода теплоты перегрева а) и скорости отвода теплоты перегрева б) в зависимости от температуры заливки и температуры кристаллизации соответственно: линии соответствуют различным диаметрам поковок <1 После отвода теплоты перегрева расплава начинается второй этап охлаждения, а именно процесс кристаллизации, который сопровождается нарастанием толщины затвердевшего слоя £. Уравнение теплового баланса

системы «расплав твердая корка» необходимо составить с учетом выделения скрытой теплоты кристаллизации и уменьшения энтальпии при переходе слоя расплава толщиной С, в твердое состояние, решая которое, получим аналитическую зависимость для расчета времени затвердевания поковки в виде шара:

В реальных эксплуатационных условиях между поковкой и штампом имеется пограничный слой. Он состоит из окисной пленки, воздушной прослойки, смазки и продуктов её сгорания в результате воздействия высоких температур. В работе принята модель учета термического сопротивления пограничного слоя с помощью приведенного коэффициента Я при суммарной толщине пограничного слоя дс:

где Лох Лсм Лг - коэффициенты теплопроводности окислов металла, технологической смазки и воздушно-газового зазора соответственно; 3ок ,8СМ Д, - толщина слоев окислов, технологической смазки и воздушно-газового зазора, м.

Описанная математическая модель позволяет рассчитать время затвердевания всего объема поковки при выполнении условия £ = г0 с учетом влияния давления на температуру кристаллизации и термического сопротивления пограничного слоя, при условии, что температура поверхности поковки принимается равной температуре контактной поверхности поковки и штампа ТП=ТК=ТШ. Изменение времени затвердевания представлено графиком на рис. 4.

Зная время затвердевания, можно оценить скорость объемного затвердевания поковки. Расчет показал, чю объемная скорость затвердевания чугуна увеличивается с повышением температуры кристаллизации (рис. 5), т.е. чем меньше перегрев металла, тем быстрее он кристаллизует-

т =--{(Ьр2 +(с,р, -с2р2)Ткр£2 +

+ с2р2[ТкрС2-(Ткр-Т„)у.(4г0С-£2 +Т„С2)]}

1

х =

(17)

(18)

ся. В этом случае уменьшается общее время контакта заготовки со штампом, что благоприятно влияет на его стойкость.

—♦—1420

* 1421,1346 1421,4185

—К—1422,837 -*—1424,2555 —•—1425.874 —I—1427,0925 ——1428,511 1429,9295

♦ 1431,348 1432,7667 1434 185

1420 1425 1430 1435 Температура кристаллизации. К

Рис. 4. Зависимость времени затвердевания Рис. 5. Влияние температуры кристал-поковки 0100 мм от температуры поверхно- лизации на скоростъобъемного затвер-сти контакта расплава со штампом при раз- девания поковки 0100мм личной температуре кристаллизации

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКОВОК ШАРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ШТАМПОВКОЙ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ ЧУГУНА

Основной целью экспериментальных исследований было подтверждение адекватности полученных теоретических решений, уточнение технологических параметров процесса штамповки кристаллизующегося металла, а также исследование структуры и свойств поковок.

Штамповка кристаллизующегося металла проводилась в условиях литейного цеха ФГУТТ ММПГТ «Салют» и включала следующие этапы: приготовление расплава; подогрев штампа; нанесение технологической смазки на рабочие поверхности инструмента; заливка жидкого металла в матрицу; формирование поковки под давлением пуансона; извлечение поковки из штампа; охлаждение изделия. Для приготовления расплава чугуна 18

использовалась электрическая печь индукционного типа с регулируемой температурой нагрева. В комплект печи входят среднечастотный генератор С4Г1-75/10, включающий блок выпрямителя и блок инвертора.

Таблица 1

Альтернативные процессы изготовления мелющих тел из чугуна

№ Технологический процесс Полученная заготовка

1 Литье в песчаную форму АН

2 Литье в металлическую форму без приложения давления

3 Штамповка кристаллизующегося металла под давлением

Для приложения внешнего давления к кристаллизующемуся чугуну использовали гидравлический пресс ДБ2432А номинальной силой 1600 кН.

В эксперименте использовалась технологическая смазка Росойл-ОГВ по ТУ 0258-046-06377289-2000, представляющая собой водную суспензию мелкодисперсного графита с антифрикционными и диспергирующими до-

бавками. Штамповкой кристаллизующегося чугуна получены поковки шаров 0100 мм.

Для оценки сплошности металла и обнаружения возможных дефектов опытные шары были разрушены и проведен макро- и микроскопический анализ образцов, причем сравнительному анализу подвергались заготовки (табл. 1), полученные тремя различными способами.

При сравнении макроструктуры были заметны небольшие полости как на торцевых, так и боковых поверхностях образцов №1 и №2, причем число и размеры дефектов в образце №1 приблизительно в 2 раза превышали число и размеры дефектов в образце №2. В образце №3 видимых дефектов обнаружено не было. При рассмотрении нетравленого микрошлифа были обнаружены дефекты в виде микропор, размеры которых существенно различаются. Для образца №1 максимальный размер дефекта - 0,3 мм, для образца №3 - 0,01 мм.

Включения графита определяли по площади, занятой графитом в поле зрения микроскопа и характеру их распределения. При исследовании образца №1 с увеличением *300 обнаружены графитовые включения с количеством, более чем в два раза превышающим число графитовых включений в образце №2.

При исследовании образца №3 обнаружено небольшое число мелких графшовых включений, изолированных друг от друга, так как при приложении давления в процессе кристаллизации реакция графитизации подавляется, и свободный графит не успевает выделиться. Вторым фактором, влияющим на интенсивность выделения графита, является увеличение скорости кристаллизации. Степень взаимного изолирования этих включений оказывает существенное влияние на свойства чугуна, чем больше изо- /» лированность включений графита, тем выше механические характеристики чугуна.

Для более полного изучения структуры чугуна шлифы подвергались

травлению. При рассмотрении шлифа 1 была обнаружена грубая колония

ледебурита с зерном крупной величины. Анализ шлифа 2 показал более

дисперсное строение ледебурита, по сравнению со шлифом 1, и все еще

относительно крупный размер зерна перлита в составе ледебурита. Шлиф 3 20

содержит включения ледебурита с размерами зерен перлита в 2 раза меньшими, по сравнению с предыдущим случаем.

Из анализа результатов исследования микроструктуры можно констатировать следующее. Реализованная штамповка жидкого чугуна существенно изменила условия кристаллизации, что привело к подавлению реакции графитизации и практически сквозному отбелу чугуна с измельчением структуры ледебурита и измельчению зерна перлита. Кроме того, полностью исключено появление усадочных сосредоточенных раковин, а также практически исключена газовая пористость, при этом наблюдалось повышение плотности штампованных заготовок на 5% по сравнению с литыми шарами.

Механические характеристики чугуна определялись по результатам стандартных испытаний на сжатие. Анализу также подвергались характеристики твердости. Результаты измерения твердости показывают, что приложение высоких давлений к расплаву чугуна, способствует измельчению зерна при кристаллизации и, тем самым, увеличивает твердость поковок на 9%, по сравнению с обычными условиями. Полученная структура белого чугуна, обладающая твердостью 49 НЯСэ, позволяет отнести шары к мелющим телам повышенной твердости в соответствии с ГОСТ 7524-89. Кроме того, следствием протекающих процессов является повышение величины относительной деформации на 30%, предела прочности на 19%.

Предложен способ промышленной реализации штамповки шаров с кристаллизацией под давлением в многогнездном штампе. Полученные результаты технологической проработки переданы на Рязанское ОАО «Тяж-прессмаш» с рамках совместных научных исследований с целью загрузки чугунолитейного производства.

Состав линии по производству мелющих шаров будет следующим. Гидравлический пресс двойного действия номинальной силой 2500/2500 кН, оснащенный специальным приводным поворотным столом, на котором размещены 3 штампа для штамповки кристаллизующегося чугуна. На первой позиции осуществляется смыкание половин штампа с образованием замкнутой полости и заливка расплава чугуна определенного объема, необходимого для одновременной штамповки 8 полуфабрикатов. На второй

21

позиции производится выталкивание комплектной поковки. Третья позиция предназначена для очистки штампа и нанесения технологического смазочного материала. Кривошипный пресс номинал!,ной силой 1000 кН, предназначен для отделения прессостатка от полуфабрикатов. Гидравлический пресс номинальной силой 1600 кН используется для горячей объемной штамповки полуфабрикатов для придания им формы шара и повышения механических характеристик.

Глава 5. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Ш АРОВ

В процессе эксплуатации мелющие тела подвергаются многократному ударному воздействию. Разрушение может произойти как в поверхностном слое (сколы), так и во внутренних слоях при наличии дефектов структуры в виде газовой микропористости, которая может сопровождать кристаллизацию чугуна при определенных условиях. Аналитически решена контактная задача теории упругости при ударном взаимодействии тел -шаров диаметром 100 мм. На рис. 6 приведен график зависимости максимальной силы соударения шаров от высоты их падения. Моделирование нанряженно-деформированного состояния (НДС) шаров осуществлялось методом конечных элементов с помощью программного комплекса Вавуя.

Численный эксперимент предполагал сравнение уровня напряжений и деформаций при эксплуатации шаров без дефектов структуры, а также шаров с возможными дефектами. Во втором случае конечно-элементная модель строилась с учетом дефекта структуры.

Расчет параметров НДС шаров проводился при сле-

1 2 Высота падения шара м

Рис. 6 Изменение силы соударения от высоты падения шара 0100 мм

дующих условиях:

- силы, действующие на элемент, приводились к узловым точкам;

- перемещения вычислялись путем решения системы алгебраических уравнений, отвечающих условию равновесия всех узловых точек под действием внешних и внутренних сил, вызванных перемещением узлов;

- деформация элементов определялась по вычисленным узловым перемещениям при помощи кинематических зависимостей;

- напряжения в элементах определялись с использованием закона

Гука;

- граничные условия приводят к условиям отсутствия перемещений в узлах по любому из направлений;

- силы тяжести и инерционные силы не учитывались. Естественно, что наличие в шарах дефекта структуры приводит к

увеличению уровня напряжений и деформаций. Логично рассмотреть задачу определения максимально допустимого дефекта. Известная формула Ирвина связывает коэффициент интенсивности упругих напряжений к с функцией геометрических параметров и условий деформирования трещины С, напряжением а и размером дефекта I: к=Со4тг><1. Тогда максимальный размер дефекта можно определить следующим соотношением: к2

1-~—. График, представленный на рис. 7, позволяет сделать вывод

о том, что при падении шара с максимальной высоты равной диаметру барабана мельницы, размер дефекта не должен превышать 0,1 мм, что значительно превышает размеры микропор, которые могут присутствовать в структуре чугунных Рис. 7. Зависимость максимального размера дефекта деталей. Анализ известных

5 10

Сила соударения кН

от силы соударения шаров

кривых усталости и повре-

ждаемости дает возможность утверждать, что при рассчитанном уровне напряжений | о | =74 МПа повреждение может наступить при количестве циклов нагружения К=106.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе исследования механизма образования дефектов в структуре чугуна при кристаллизации, определены основные факторы (Ь -коэффициент тепловой аккумуляции металла штампа; и - скорость затвердевания; р давление на расплав), управление которыми снижает возможность появления дефектов в виде усадочных раковин, микропор и графитовых включений.

2. Исследование физических процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз при затвердевании позволило в математической модели теплообмена учесть конвективную составляющую и термическое сопротивление пограничного слоя между поковкой и штампом.

3. Исследование влияния давления (в пределах от 50 до 250 МПа) на термодинамические характеристики двухфазной системы дало возможность в известной степени управлять процессом кристаллизации с целью повышения механических характеристик поковок.

4. Теплотехнические характеристики материалов поковки и штампа приняты зависимыми от температуры, что позволило уточнить технологические параметры процесса штамповки и температурные поля поковки и штампа.

5. Экспериментальными исследованиями механических характеристик чу1уна подтверждено наличие в поковках мелкозернистой структуры практически без свободного графита и газовой микропористости. Это более чем на 23% повысило уровень относительных деформаций, на 9% Г плотность металла поковок (с 6900 до 7200 кг/м3) и механические характеристики: на 16% предел прочности ов (с 1950 до 2320 МПа); твердость на

9,5% (НВ с 430 до 477).

6. На базе численных экспериментов МКЭ исследовано напряженно-деформированное состояние чугунных шаров, что позволило с применением классической теории упругости и инженерных методов расчета

ударных систем, установить взаимосвязь размера дефекта с эксплуатаци-24

онными характеристиками мелющих тел. Максимальный линейный размер дефекта в шарах, полученных штамповкой кристаллизующегося металла при давлении 200 МПа, не превышает 0,20 мкм.

7. Разработанный технологический процесс штамповки кристаллизующегося металла для изготовления номенклатуры мелющих шаров из чугуна диаметром от 80 до 120 мм позволил повысить их механические характеристики, что благоприятно влияет на эксплуатационные свойства мелющих тел. Число циклов до появления трещин превышает N=106.

8. Предложенный новый способ изготовления мелющих шаров оформлен заявкой на выдачу патента (регистрационный номер 2005119146 от 21.06.2005).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Французова JI С. Повышение эффективности управления производством применением расписания работ//В сб. Открытой научной конференции МГТУ «Станкин» и «УЦМ и ИММ РАН». - М.: Изд. «Станкин», 1999.-С.72.

2. Сосенушкин E.H., Французова JI.C., Гришин В.В. Совершенствование технологии изготовления мельничных шаров из чугуна.//В сб. Механика пластического деформирования. Технологии и оборудование обработки металлов давлением. - Тула: ТулГУ, 2004.-С.66-67.

3. Сосенушкин E.H., Французова JI.C., Гришин В.В. Совершенствование технологии изготовления мельничных шаров из чугуна.// В сб. Известия ТулГу. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением.Вып.2. - Тула:ТулГУ,2004.-С. 195-200.

4. Сосенушкин E.H., Гришин В.В., Французова JI.C К вопросу о жидкой штамповке чугунных мелющих тел.//В сб. Новые материалы и технологии. НМТ 2004. М.: МАТИ, 2004.- С. 19-20.

5. Сосенушкин E.H., Французова JI.C. Решение задачи затвердевания металла при кристаллизации под давлением с учетом термического сопротивления пограничного слоя.//В сб. Системы пластического деформирования материалов. Вып. №10./ Под редакцией д.т.н., проф. E.H. Сосенушкина и к.т.н., доц. А.М. Смирнова. - М.: Щ МГТУ «СТАНКИН», 2004. - С. 186193.

6. Гришин В.В., Сосенушкин E.H., Французова U.C. Особенности теплообмена при штамповке кристаллизующегося металла./ Сб. материалов 49-й международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция Заготовительные производства в машиностроении. - M.: МГТУ МАМИ, 2005. - С. 16 - 19.

7. Сосенушкин E.H., Лыжников Е.И., Гришин В.В., Французова Л. С. Штамповка кристаллизующегося металла - конкурентоспособный технологический процесс обработки давлением.// Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств./ Материалы международного научно-технического семинара. - М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», 2005. -С.82-84.

8. Сосенушкин E.H., Французова Л.С. Влияние давления на штамповку кристаллизующегося чугуна.// Тематичний зб1рник наукових праць «Удосконалениня процеав i обладнання обробки тиском в металургп i машинобудуванш». - Краматорськ: ДЦМА, 2005. - С.233- 237.

9. Сосенушкин E.H., Французова Л. С. Модель распространения тепла при штамповке кристаллизующегося чугуна.//Матер1али VIII М1жнародно'1 науково-практично'1 конференций «Наука I осв1та 2005». Том 61. Техшка. - С. 79-82.

10.Французова Л.С., Сосенушкин E.H. Влияние технологических параметров на условия теплообмена при штамповке кристаллизующегося металла.// В сб. научных трудов «Теплофизика технологических процессов». - Рыбинск: РГАТА, 2005. - С. 182 - 184.

11. Сосенушкин E.H., Французова Л.С., Гришин В.В. Изготовление мельничных шаров из жидкого чугуна с кристаллизацией под давлением.// Заготовительные производства в машиностроении. - №5. - 2005. - С. 5 - 12. f

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Французова Любовь Сергеевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ ИЗ ЧУГУНА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 05.10.2005. Формат 60x901А6 Уч-изд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ № 159

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

РНБ Русский фонд

2006-4 15233

?

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ номенклатуры мелющих тел.

1.2. Состав, структура и области применения чугунов.

1.2.11 Классификация чугунов.

1.2.2. Структура чугуна.

1.3; Методы штамповки кристаллизующегося металла.

1:4. Механизм образования дефектов структуры при первичной кристаллизации металлов.

1.4.1. Усадка металлов и сплавов.

1.4.2. Влияние механизма затвердевания на возникновение рассеянных усадочных микрораковин

1.4.3. Пути повышения сплошности заготовок.

1.4.3.1. Увеличение скорости затвердевания.

1.4.3.2. Нарушение условий кристаллизации.

1.4.3.3. Уменьшение газосодержания изделий.

1.4.3.4. Повышение давления на расплав в процессе кристаллизации.v.

1.4.3.5. Изменение условий графитизации чугуна.

1.5. Задачи исследования.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ШТАМПОВКЕ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ МЕТАЛЛА.

2.1. Математическая модель процесса затвердевания расплава.

2.2. Модель тепловых процессов в системе «расплав твердая корка — штамп».

2.3. Допущения при анализе математической модели переноса тепла при затвердевании поковки.

- з

2.4 Модель процесса затвердевания расплава с учетом конвективных процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз

3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ШТАМПОВКУ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ МЕТАЛЛА.

3.1. Температура заливаемого металла.

3.2. Температура инструмента.

3.3. Математическая модель распространения тепла в системе «поковка - штамп».

3.4. Давление на металл в процессе кристаллизации.

3.5. Продолжительность кристаллизации под давлением

3.5.1. Время охлаждения перегретого расплава.

3.5.2. Время затвердевания поковки.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКОВОК ШАРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ШТАМПОВКОЙ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ ЧУГУНА.

4:1. Экспериментальная штамповка шаров.

4.2. Исследование структуры материала поковок.

4.3. Экспериментальное определение механических характеристик.

4.3.1. Твердость поковок.

4.3.2. Плотность металла поковок.

4.3.3. Прочностные характеристики.

4.4. Рекомендации по промышленной реализации технологии штамповки мелющих шаров из кристаллизующегося под давлением чугуна.

5. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ШАРОВ.

5.1. Силовые параметры соударения шаров.

5.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

5.3. Параметры допустимого дефекта структуры.

Используемые в шаровых мельницах мелющие тела могут иметь различную форму и изготавливаться из разных материалов. Номенклатура мелющих тел, используемых в настоящее время при размоле руд, угля, клинкера и других материалов, регламентирована государственными стандартами и техническими условиями заводов-изготовителей. В качестве материалов при производстве мелющих тел используется серый чугун, а при повышенных требованиях к изделиям - сталь.

Наибольшим распространением пользуются мелющие тела в виде шаров, имеющих относительно простую форму и изготавливаемых из чугуна, как наиболее дешевого материала.

Технологическим процессом изготовления чугунных мелющих тел является, в основном, литье в песчаные формы или металлические кокили. В этом случае отливки могут иметь в своей структуре пороки, присущие этому виду технологии, в виде сосредоточенных усадочных раковин и микропор, образуемых литейными газами при кристаллизации. Необходимость массивной литниковой системы не позволяет изготавливать мелющие тела с высоким коэффициентом использования металла (КИМ), который при использовании технологии литья не превышает 0,40 - 0,55. С другой стороны, наличие литейных пороков существенно снижает механические характеристики мелющих тел, что негативно влияет на сроки их службы.

Рациональное использование металла во многом определяется применением в машиностроении альтернативных методов получения заготовок, в частности, штамповки кристаллизующегося металла (ШКМ) [1,2,3].

Точная дозировка расплава позволяет упразднить литниковую систему, минимизировать припуски на механическую обработку при изготовлении поковок, тем самым повысить КИМ до 0,93. Приложение внешнего давления в период кристаллизации поковки полностью устраняет газовую пористость, подавляет реакцию графитизации чугуна, повышает механические характеристики и твердость штампуемых поковок, а также существенно увеличивает скорость кристаллизации, что благоприятно сказывается на стойкости рабочих деталей штампов.

Этот метод переработки металла удовлетворяет требованиям производства современных изделий и находится на стыке процессов литья под давлением и горячей объемной штамповки в закрытых штампах.

Однако влияние основных технологических параметров штамповки кристаллизующегося металла на свойства получаемых поковок изучены не в полной мере, так как процессы, связанные с фазовыми превращениями при кристаллизации, являются сложными и нестабильными, напрямую связанными с изменяющимися условиями теплообмена поковки с рабочими деталями штампа. В связи с этим основным научным подходом к оценке влияния технологических параметров процессов ШКМ на свойства поковки является применение методов теории теплообмена [4,5] и теории формирования отливки [6, 7].

Целью работы является изготовление штамповкой кристаллизующегося металла мелющих шаров из чугуна, обладающих повышенными механическими и эксплуатационными характеристиками.

Научной задачей работы является создание математических моделей теплообмена при реализации технологии штамповки кристаллизующегося металла, с учетом переходных процессов при затвердевании.

Научная новизна состоит:

- в разработанной математической модели теплообмена, учитывающей влияние переходных процессов на границе жидкой и твердой фаз;

- в экспериментально установленной взаимосвязи внешнего давления с условиями возникновения дефектов при штамповке кристаллизующегося чугуна.

Практическая значимость состоит в разработке рекомендаций по выбору основных технологических параметров штамповки кристаллизующегося чугуна при изготовлении мелющих шаров.

Критический анализ состояния вопроса по теории формирования кристаллического строения отливок, по методам штамповки кристаллизующегося металла, по тепловой теории затвердевания металлической массы, по теории упругости и ударных систем в первой главе поставлены задачи исследования. Они предусматривают оценки эффективности технологии штамповки кристаллизующегося металла для изготовления поковок из чугуна с заданными механическими характеристиками.

Во второй главе рассмотрены вопросы создания математических моделей теплообмена, протекающего в двухфазной системе с учетом конвективных процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз.

Третья глава посвящена оценке влияния основных технологических параметров на штамповку кристаллизующегося металла, как то температурный напор, величина внешнего давления и время выдержки до полной кристаллизации, а также тепловых полей в системе «расплав — твердая корка — штамп» на базе разработанных моделей.

В четвертой главе описана методика экспериментальных исследований по штамповке кристаллизующегося чугуна и оценке основных свойств полученных поковок.

Пятая глава иллюстрирует методику прогнозирования влияния возможного дефекта структуры на напряженно-деформированное состояние шаров в процессе эксплуатации, построенную на классической теории упругости и прикладной теории удара.

- 184 -ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе исследования механизма образования дефектов в структуре чугуна при кристаллизации, определены основные факторы (Ь — коэффициент тепловой аккумуляции металла штампа; и — скорость затвердевания; р - давление на расплав), управление которыми снижает возможность появления дефектов в виде усадочных раковин, микропор и графитовых включений.

2. Исследование физических процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз при затвердевании позволило в математической модели теплообмена учесть конвективную составляющую и термическое сопротивление пограничного слоя между поковкой и штампом.

3. Исследование влияния давления (в пределах от 50 до 250 МПа) на термодинамические характеристики двухфазной системы дало возможность в известной степени управлять процессом кристаллизации с целью повышения механических характеристик поковок.

4. Теплотехнические характеристики материалов поковки и штампа приняты зависимыми от температуры, что позволило уточнить технологические параметры процесса штамповки и температурные: поля поковки и штампа.

5. Экспериментальными исследованиями механических характеристик чугуна подтверждено наличие в поковках мелкозернистой структуры практически без свободного графита и газовой микропористости. Это более чем на 23% повысило уровень относительных деформаций, на 9% плотность металла поковок (с 6900 до 7200 кг/м3) и механические характеристики: на 16% предел прочности ав (с 1950 до 2320 МПа); твердость на 9,5% (НВ с 430 до 477).

6. На базе численных экспериментов МКЭ исследовано напряженно-деформированное состояние чугунных шаров, что позволило с применением классической теории упругости и инженерных методов расчета ударных систем, установить взаимосвязь размера дефекта с эксплуатационными характеристиками мелющих тел. Максимальный линейный размер дефекта в шарах, полученных штамповкой кристаллизующегося металла при давлении 200 МПа, не превышает 0,20 мкм.

7. Разработанный технологический процесс штамповки кристаллизующегося металла для изготовления номенклатуры мелющих шаров из чугуна диаметром от 80 до 120 мм позволил повысить их механические характеристики, что благоприятно влияет на эксплуатационные свойства мелющих тел. Число циклов до появления трещин превышает N=106.

8. Предложенный новый способ изготовления мелющих шаров оформлен заявкой на выдачу патента (регистрационный номер 2005119146 от 21.06.2005).

1. Батышев А.И., Базилевский Е.М., Бобров В.И. и др. Штамповка жидкого металла: Литье с кристаллизацией под давлением. — М.: Машиностроение, 1979. 200 с.

2. Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением. М.: Металлургия, 1990. - 144 с.

3. Батышев А.И. Штамповка жидкого металла: традиционные и нетрадиционные процессы.// Кузнечно-штамповочное производство. — 1998. №4. - С.7 -11.

4. Лыков A.B. Теория тецлопроводности. — М.: Высшая школа, 1967.-599 с.

5. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. — М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

6. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок.-М.: Машиностроение, 1973. —288 с.

7. Баландин Г.Ф.Основы теории формирования отливки. Ч.И. Формирование макроскопического строения отливки: Учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1979. — 335 с.

8. ГОСТ 24384.80. Цилиндры мелющие чугунные для мельниц шаровых.-М.: Изд. стандартов, 1979.

9. ГОСТ 7524-89. Шары стальные мелющие для шаровых мельниц.-М.: Изд. стандартов, 1988.

10. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловеденение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1983. — 384 с.

11. Сергеев П.С. Штамповка жидких цветных металлов и сплавов. Л.: Судпромгиз, 1957. - 88 с.

12. Цуруков O.A. Конструкции штампов жидкой штамповки. Обзор. М.: НИИмаш, 1979. - 56 с.

13. Полухин П.И., Тюрин В.А., Давидков П.И., Витанов Д.Н. Обработка металлов давлением в машиностроении. — М.: Машиностроение; София: Техника, 1983. — 279 с.

14. Митрофанов С.П. Групповая технология изготовления заготовок серийного производства. — JL: Машиностроение, 1985.-240 с.

15. Ракогон А.И. Совершенствование технологии изготовления деталей с тонкими высокими ребрами методом штамповки кристаллизующегося металла. — Диссертация на соиск. ученой степени к.т.н. по специальности 05.03.05. М.: МГТУ «Станкин», 2002. - 118 с.

16. Шибаков В.Г., Жигулев И.О., Марасинский А.Н. Прессование изделий при кристаллизации под давлением.// Кузнечно-штамповочное производство. 2002. - №6. - С.26 - 31.

17. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. М.: Физматгиз, 1958.-291 с.

18. Пржибыл И. Затвердевание и питатие отливок. М.: ГНТИ Машлит, 1957.-287с.

19. Константинов JI.C., Басов К.И., Карпов Н.В. Установка для измерения усадки отдельных участков отливки в процессе ее охлаждения в форме.// Известия вузов. Машиностроение, 1968. №6. - С. 194 - 197.

20. Осокин Н.Г. Литье слитков по методу А.С.Лаврова.// Литейное производство. — №11. 1951. —С.18.

21. Спасский А.Г. Основы литейного производства. — М.: Металлургия, 1950.-е.

22. Гиршович Н.Г. Чугунное литье. Л.-М.: ОГИЗ, 1949. - с.

23. Сокольская Л.И. Скорость затвердевания металлической массы.// Литейное производство. №2. - 1952. - С. 17-19.

24. Нехендзи Ю.А. Стальное литье. — М.: Металлургия, 1948. — с.

25. Баландин Г.Ф. Теория формирования отливки: Основы тепловой теории. Затвердевание и охлаждение отливки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. - 360 с.

26. Беликов A.H., Белянский A.A. Литье с применением вибрации.// Авиационная промышленность. №10. — 1957.

27. Половинин П.И. Влияние вибрации во время затвердевания отливки на ее свойства.// Сб. Рациональные технологические процессы литья. Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. Вып.8. - М.: Машгиз, 1950.

28. Новиков И.И., Корольков Г.А., Золоторевский B.C. Применение вибрации в период кристаллизации.// Сб. научных трудов института цветных металлов им. М.И.Калинина. — М.: Металлургиздат, 1960.

29. Романов A.A. Литье стали в вибрирующие формы. — М-Свердловск.: Машгиз, 1959. 63 с.

30. Говорков В.М., Шебалин К.Н. Влияние вибрации на кристаллизацию металлов. Т24. Вып. 1. ЖТФ, 1954.

31. Смирнов Н.И., Королев K.M. Применение вибрации при литье в кокиль.// Авиационная промышленность. — №4. 1938.

32. Бобров И.И., Гречко Н.П. Опыт штамповки деталей из жидкого металла.// Вестник машиностроения. №6-7. - 1945. - С.42-45.

33. Белопухов А.К., Родионов Е.М., Заславский М.Л. и др. Литье под давлением. Проблемы подпрессовки. М.: Машиностроение, 1971. -168 с.

34. Кирдеев Ю.П., Зимин В.В., Гришин A.B. Оценка внешнего давления на заготовку при штамповке изделий из кристаллизующегося алюминия.//Кузнечно-штамповочное производство—№11.— 2000.— С. 11—13.

35. Филиппов Л.П. Свойства жидких металлов. М:. Изд. МГУ, 1988.-200 с.

36. Nishida V., Matusubara H., Suzuki H// Jmoko Journal Japan Foundrymens Sos. 1979. -№12. - P.823-828.

37. Бидуля П.Н., Климов B.C., Искаков C.C. Влияние характера механического давления на первичную кристаллизацию и свойства стали.// Известия вузов. Черная металлургия. — 1964. — №11. — С. 189 194.

38. Касумзаде Н.Г., Новрузов Г.Ф. Влияние прессования при кристаллизации на графитизацию чугуна.// Литейное производство. №5. — 1972. — С.21—22.

39. Баландин Г.Ф., Воробьев И.А. Определение условий объемного затвердевания.//Известия вузов. Машиностроение, 1972.-№10. -С. 144-149.

40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1978. - 832 с.

41. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1976.-871 с.

42. Вейник А.И. Тепловые основы теории литья. М.: Машгиз, 1953.-383 с.

43. Воробьев И.Л., Заболоцкий A.A. Свободная конвекция при кристаллизации//Известия вузов.Машиностроение.-1969.-№3.-С. 120— 126.

44. Серебро B.C., Марьянский A.B. Уточненный анализ затвердевания отливки в комбинированной форме.// Известия вузов. Машиностроение. 1975.-№12.-С.106- 108.

45. Чукаев А.Г., Россихин H.A. К вопросу о закономерностях теплообмена и перемещения границы раздела фаз.// Известия вузов. Машиностроение. 1987. - №2. - С.26 - 30.

46. Гришин A.B. Совершенствование технологии изготовления изделий из алюминиевых сплавов штамповкой кристаллизующегося металла. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н. по специальности 05.03.05.-М.: МГТУ «Станкин», 2003. - 200 с.

47. Пляцкий В.М. Штамповка из жидкого металла. М.: Машиностроение, 1964. — 316 с.

48. Беккер М.Б., Заславский М.Л., Игнатенко Ю.Ф., Коротков P.A., Невзоров В.Я. Литье под давлением. -М.: машиностроение, 1990. 398 с.

49. Новрузов Г.Д. Изготовление заготовок из жидкого чугуна прессованием при кристаллизации.// Кузнечно-штамповочное производство. 1998. - №10. - С.23 - 24.

50. Деордиев Н.Т., Асташов А.Ф, Тишаев С.И., Рясков С.А. Температурный режим работы инструмента при жидкой штамповке.// Кузнечно-иггамповочное производство. 1965. - №9. - С.11 - 13.

51. Рыжиков A.A., Журавлев В.Н., Сорокин Л. Д. Штамповка ручьевых вставок из жидкой стали.// Кузнечно-штамповочное производство. 1965. - №10. - С.41 - 42.

52. Гудзий А.Е., Лившиц В.Б. Вкладыши из стали 4Х5В2ФС, прессованные при кристаллизации.// Литейное производство. 1977. — №1. -С.24-26.

53. Гришин Л.Г., Солодухо O.A., Иоффе Г.А., Сапрыкин A.A. Температурные условия процесса и стойкость штампов при жидкой штамповке стальных заготовок.// Кузнечно-штамповочное производство. — 1996. №2. - С.4 - 6.

54. Николаева О.И., Федотов Г.Д., Журавлев В.Н. Исследование температурного поля пресс-форм при жидкой штамповке латуни (ЛС 59-1) // Кузнечно-штамповочное производство. — 1975. — №8. С.26 - 27.

55. Николаева О.И., Федотов Г.Д., Журавлев В.Н. Подогрев матрицы при жидкой штамповке бронзы Бр.АЖ9-4.// Литейное-производство. 1975. — №7. - С.36.

56. Батышев А.И., Михайлов А.М., Мамедов Ф.М. Особенности формирования заготовок из чистой меди при литье с кристаллизацией под механическим давлением.//Литейное производство 1977. — №2 - С.28-30.

57. Липчин Т.Н., Быков П.А. Изготовление штампов и форм методом прессования кристаллизующегося металла.// Литейное производство. — 1973. №6. - С.41 - 42.

58. Орлов A.B. Изготовление высокостойких кузнечных штампов методами точного литья.// Кузнечно-штамповочное производство. — 1990. — №7.-С.21 —24.

59. Буров Ю.Г., Позднеев Б.М. Расчет контактного теплообмена между поковкой и инструментом при осадке.// Кузнечно-штамповочное производство. 1979. - №9. - С.З - 6.

60. Демидов Л.Д. Теоретическое определение теплоизоляционного эффекта пограничной прослойки, находящейся между деформируемым металлом и штампом.// В кн. Исследования процессов обработки металлов давлением. Ижевск: 1966. -Вып.1. - С. 109 - 113.

61. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. — М.: ГНТИ Черной и цветной металлургии, 1962. — 567 с.

62. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства веществ. Справочник. — М.: Госэнергоиздат, 1956. 720 с.

63. Чиркин B.C. Теплофизические свойства металлов. Справочное руководство. — М.: Физматгиз, 1959. 356 с.

64. Behr К.-А., Danz В. Temperaturen in der Wirkfiige beim Kalt -und Warmflisspressen.// Umformtechnik. 1975. - №4. - P. 3 - 13.

65. Штампы для горячего деформирования металлов./ Под ред. М.А.Тылкина. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1977. -496 с.

66. Макушок Е.М., Матусевич A.C., Северденко В.П., Сегал В.М. Теоретические основы ковки и горячей объемной штамповки. — Минск: Наука и техника, 1968. 408 с.

67. Lange К. Gesenkshmieden von stahl. — Berlin: Springer-Verlag, 1958.-379 p.

68. Dohmann F., Laufer M., Fu D. Wärmeverursachte Maßfehler biem Fließpressen von Stirnradverzahnungen lasstn sich am Werkzeug ausgleichen.// Maschinenmarkt, 1990. -96. -N16. -P.31-34.

69. Немзер Г.Т., Аронов M.A. Исследование теплофизических свойств сталей.// Кузнечно-штамповочное производство. — 1980. — №3. -С.26-30.

70. Гребенюк Г.С., Алымов И.М., Золотухина Н.Д., Михайленко Б.Е. О жидкой штамповке стали.// Кузнечно-штамповочное производство.- 1967. — №5. — С.6 8.

71. Гудзий А.Е. Повышение стойкости штамповой оснастки при прессовании жидкой стали.// Кузнечно-штамповочное производство. — 1964. -№11. С.15.

72. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1974. — 942 с.

73. Марков В.В. Исследование закономерностей формирования отливок и разработка новых технологий прессования жидких сплавов. -Диссертация на соискание к.т.н. по спец. 05.16.04 Н.Новгород, 1998. — 279 с.

74. Белоусов H.H., Додонов A.A. Кристаллизация отливок из цветных сплавов в условиях приложения давления.// Кристаллизация металлов. М.: АН СССР. - 1960. - С. 279 - 297.

75. Самойлович Ю.А. Микрокомпьютер в решении задач кристаллизации слитка. -М.: Металлургия, 1988. 182 с.

76. Батышев А.И. Формирование отливок под воздействием давления, вибраций, ультразвука и электромагнитных сил. Обзор. — М.: НИИмаш, 1977.-54 с.

77. Лыжников Е.И., Гришин A.B., Гришин В.В. Разработка технологического процесса и оснастки для изготовления изделий штамповкой из жидкого металла.// Кузнечно-штамповочное производство.2002. — №5. — С.17 20.

78. Калиев А.И., Уразбаев Б.К. К вопросу о затвердевании потока расплава в охлаждаемом щелевидном канале.// Известия вузов. Машиностроение. 1977. - №6. — С. 133 — 136.

79. Буров Ю.Г., Позднеев Б.М. Определение количества тепла, предаваемого от заготовки к штампу.// Известия вузов. Машиностроение. — 1975. №5. — С. 144 — 147.

80. Ракогон А.И. Оценка формоизменения высоких тонких стенок при штамповке деталей из кристаллизующегося металла.// Кузнечно-штамповочное производство. 2002. — №9. — С. 12 — 16.

81. Степанский Л.Г. Оценка износа деформируемого инструмента.//Кузнечно-штамповочное производство 1990.-№4.-С.2 - 4.

82. Яловой Н.И., Тылкин М.А., Полухин П.И., Васильев Д.И. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1973. - 631 с.

83. Довнар С. А. Термомеханика упрочнения и разрушения штампов объемной штамповки. — М.: Машиностроение, 1975. -255 с.

84. Северденко В.П., Макушок Е.М., Равин А.Н. Теплофизические свойства стальной окалины при различных температурах.// Известия АН БССР. 1974. — №1. - С.33-37.

85. Дьячук В.П. Сокращенная методика расчета контейнеров и матриц штампов скрепленной конструкции.// Кузнечно-штамповочное производство. 1980. - №7. - С.9 —11.

86. Кайнарский И.С., Дегтярева Э.В. Основные огнеупоры. — М.: Металлургия, 1974. 367 с.

87. Кайнарский И.С., Дегтярева Э.В. Карборундовые огнеупоры. — X.: ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1964. 252 с.

88. Демидов Л.Д., Петрунин В.П. Исследование эффективности действия смазок для горячей штамповки.// В кн. Исследование процессов обработки металлов давлением. — Ижевск: Удмуртия, 1966. — Вып.2. — С.151 —157.

89. Номенклатурный перечень продукции ХТЦ УАИ. — Уфа: Башкортостан, 2004. 58 с.

90. ГОСТ 9013-59. Измерение твердости по Роквеллу. М.: Изд. стандартов, 1957.

91. ГОСТ 25.503-80. Метод испытания на сжатие. М.: Изд. стандартов, 1988. - 55 с.

92. Рыжов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках. — Киев: Наукова думка, 1982. 169 с.

93. Тимощенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979.-560 с.

94. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. — М.: Наука, 1969. — 201 с.

95. Батуев В.Н., Голубков Ю.В., Ефремов А.К., Федосов A.A. Инженерные методы исследования ударных процессов. — М.: Машиностроение, 1977. 240 с.

96. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М.: машиностроение, 1982. — 192 с.

97. Серенсен C.B., Тетельбаум И.М., Пригоровский Н.П. Динамическая прочность в машиностроении. М.: Машгиз, 1945. - 328 с.

98. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1976.-464 с.

99. Сегерлинд JL Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-392 с.

100. Basys+. Версия 5.02. Руководство пользователя.

101. Бунин K.JL, Иванцов Г.И., Малиночка Я.Н. Структура чугуна. М.: Машгиз, 1952. - с.

102. Прикладные вопросы вязкости разрушения./ Под ред. Б.А.Дроздовского. М.: Мир, 1968. - 552 с.

103. Кирдеев Ю.П., Корнилова A.B. Обеспечение надежности машин. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2002. - 148 с.

104. Тайра С., Отани Р. Теория высокотемпературной прочности материалов. М.: Металлургия, 1986. - 280 с.

105. Крамаренко О.Ю. Сопротивление чугуна усталости при повторных перегрузках.//Вопросы прочности материалов и конструкций. — М.: АН СССР, 1959. С.111 - 122.

106. Лякишев Н.П., Александров H.H., Подцубный А.Н. и др. Способ производства чугунных мелющих тел./ Патент 95109076 код МПК В21Н001/14С22С037/10. Заявитель АО «Кронтиф».

107. Романцев Б.А., Потапов И.Н., Гончарук A.B., Попов В.А. Способ получения полых чугунных гильз. Авторское свидетельство СССР №730526 кл. В23Р15/22, В21К21/00. 1976.