автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка метода расчета теплового режима затвердевания крупногабаритной фасонной отливки в облицованном и комбинированном кокилях

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

* I й VII

УДК 621.744.56

КОМЛИК Сергей Федорова

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ФАСОННОЙ ОТЛИВКИ В ОБЛИЦОВАННОМ И КОМБИНИРОВАННОМ КОКИЛЯХ

05.16.04 — Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1997

Раюта выполнен* • *и»ико-твхнич»скои институте Академии мук Беларуси.

Научный руководитель —

Официальные оппоненты:

член-корреспондент йН Беларуси, доктор технических наук, профессор

А.И. Вейник.

академик нН Беларуси, доктор технических на/к, промссор Г. А. ймисоеич(

Сгганирумаа органиаация —

кандидат технических наук, доцент Б. А. Кравчежо.

Белорусский научно-мссяедоеа- • тельский и комструкторско-. технологический институт литейного производства (р.Минск).

Змита диссертаций состоится ШЛЯ. 1997р. л АЧ насое

на васедании смета по вачита диссертаций Д 02.05.06 • Белорусской государственной политехнической академии по Ддрку» 220027 г.Нинск, пр. *.Скррины, ¿9, корл.1, ауд.202.

С диссертацией мохно овиакоииться в вмлиотеке Белирус-ской г ос у дат ста »мной политехнической академии.

Автореферат рааослан

■ » ¿л/гурелЯ 1^97г.

Ученый секретарь совета по ваяйте диссертаций Д.02.05.06,кандидат технических наук, доцент

Б.Н.' Н|Н1Н1Н0Ц

(с) Конлик С.Ф., 1997

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. При литьв крупногабаритных Фасонных отливок - станин, картеров' и влеков Цилиндров' двигателей внутреннего сгорания, корпусов гидротурбин, электрогенераторов и ракет, и т.п.- в облицованные и комбинированные какили возникает сложная задача уменьшения напряжений и коробления и избежания трещин о ходе затвердевания и последующего охлаждения металла. Трудности многократно возрастают при попытках использовать для этих целей весьма прогрессивный и высокопроизводительный метод литья в кекилы в настоящее время доля »того Вида литья крайне незначительна, что объясняется отсутствием необходимых достаточно простых и точных методов теоретического расчета

процесса затвердевания сложной отлу(вкиа пригодных для прак-

■ •

тичвекого использования в производственны^ условиях на стадии проектирования технологического процесса.

Решению поставленной • задачи может, помочь максимальное снижение разностей температур как в сечениях .стенок, так и между Различными частями отливки. С целью обеспечения подобных изотермических • условий следует' уметь заранее рассчитать процесс затвердевания и дальнейшегЬ охлаждения отдельных участков сложной отливки и найти подходящие параметры сопряженных с ним

участков формы. Для расчетов надо Располагать соответствующими «

формулами, обеспеченными необходимыми термояизическими

коэффициентами для применяемых литейных сплавов и форм. К сожалению, из-за славой распространенности в литейном

производстве расчетных методов, ссйчас таких данных крайне не-

( »

достаточно, поэтому возникает дополнительная вадача их экспериментального и расчетного (методами термодинамики необратимых процессов) определения. '

Крупногабаритные Фасонные отливки часто овладеют весьма различными по массивности участками, поэтому для обеспечения принципа иаотермичности приходится использовать самые равные по интенсивности теплообмена способы воздействия на эти участки, начиная от их особого утепления и кончая тонкостенным кокилем, охлаждаемым водой в условиях кипения. Это значит, что при решении поставленной задачи необходимо рассмотреть и овоащить

весь накопленный опыт, охватить «есь диапазон возможных способов ■теплового воздействия на отливку, которым располагает литейщик, придав им сротоетству^иче количественное выражение, удобное для обозрения .и практического использования. Иными словами, в ■ результате проведенного' исследрвании необходимо дать обобщающие практические рекомендации, полезные для тех'нолога-литейщика.

Наконец! целесообразно разработать соответствующий измерительно-вычислительный комплекс на вазе персональной ЭБН, который овеспечил бы все расчеты, эксперименты, в случае необходимости смогьы внести коррективы в тепловой режим отливки • условиях производства. Такая г плота актуальна, проводится впервые, и представляет интерес для республики Беларусь.

ЦЕ/1{э И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. В-соответствии с изложенным диссертация имеет целью на рснове анализа ухе известным достижений разработать, исследовать и опррврвать новый универсальный, достаточно простой поучлетковый метод расчета теплового режима затвердевания крупногабаритной разностенной Фасонной отливки, пригодный для использования в производственных условиях, и дать практические рекомендации. Б таком обобщенном виде задача ставится впервые, для ее решения необходимо!

1. На основе термодинамики необратимых процессов Онзаге-ра, теорий подобии и размерностей и анализа Физического существа проблемы разработать сиртвиу критериев подобия, позволяющих общую задачу о* охлаждении фасонной отливки в Форме расчленить на совокупности простых частных задач, поддающихся достаточно точному аналитическому решении,. удобному для практического использования.производственных условиях.

2. Для всех выделенных часуНих случаев Предложить простыв расчетные формулы, -'позволяющие одинаково легко' решать как прямые, так и Обратные технологические задачи! по заданной технологии находить свойства отливки либй по заданным свойствам подвирать потрвьный технологический процесс.

3.<Обеспечит* расчетные формулы соответствующими термоФизическими коэффициентам^ для применяемых в литейном производстве металлов и сплавов! предложите метод их расчетного и экспериментального определения. .

4. Б экспериментах проверить справедливость, выведенных расчетных формул и методов и дать практические рекомендации. Обобщить имеющиеся опытные данные, относящиеся к предельным вое-

нежностям теплового воздействия на Процесс охлаждения отливки.

5. Разработать измерительно-вычислительный комплекс на Базе персональной ЭВМ для выполнения всех упомянутых расчетов и управления всеми перечисленными экспериментами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ. Впервые разработана совокупность из девяти главных критериев подобия, которые позволяют но поддающуюся строгой математической ториулировкэ овиую задачу расчленить на двенадцать легко решаемых частных задач, обеспеченных простыми расчетными воРмулами. Частные задачи, использованные при описании данной реальной отливки, объединяются в единую термодинамическую систему на основе принципа изотермичности, например, предусматривающего одновременное затвердевание всех участков сложной отливки. Это автоматически . , приводит, к желательному снижению напряжений и корошения и избавляет. от трещин, и необходимости решать довольно сложную задачу взаимного теплового влияния смежных ~ участков отливки! Усовершенствован метод комплексного определения термофизичоских свойств металлов и сплавов на одном оьраэце.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработанный универсальный метод позволяет рассчитывать технологии литья на стадии проектирования, это избавляет от многих дорогостоящих проб и ошибок, резко <в несколько |»аз) сокращает длительность производственного цикла, увеличивает производительность и улучшает условия труда Благодаря применению комбинированных.и облицованных кокилей. Б диссертации приведены конкретные примеры использования метода на производстве, они могут быть успешно тиражированы на практике. . V:

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. РазраБОтанные теоретические и экспериментальные методы были приманены При доводке на ПО "ЗАВОД БОЛЬШЕВИК" в г. Ленинграде технологии литьи крупногабаритных »асонныя деталей ответственного назначения, подвергающихся ударным нагрузкам. Годовой экономический эффект, приходящийся на долю аспиранта С.Ф.Комлика, превышает 26 тыс. рублей в

ценах 19В9г. ......

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ. . По результатам равоты на защиту выносятся следующие основные положения« ■ .

X. Новый.универсальный метод поучасткового расчета затвердевания сложной «асонной отливки в облицованном или комбиниро-

ванном кокиле. ...

2. Совокупность иа 12 простейшим частных вадач, с помощью которых может быть огшсана практически любая данная отливка.

-Совокупность и« 9 главных критериев подобия, позволяющих выделить указанные вадачщ и определяющих относительную интенсивность теплообмена между отливкой, формой и окружающей средой, и* относительное теплосодержание и относительное отклонение конфигурации каждого мысленно выделенного участка отливки рт классической (плита, цилиндр,' шар).

4, Совокупность приближённых расчетных формул, описывающих процесс ватвердевания всем выделенных участков и отливки в целом. . .

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ, Автор диссертации перенес центр тяжести проблемы с Обшей строгой математической формулировки универсальной вадачи, что практически невозможно, на формулировку ограниченного числа простых частных задач, с помощью которых можно описать данную сложную отливку, «атвердевающую в облицованном или'комбинированном кокиле. Эта идея осуществлена им путем критериального анализа поставленной проблемы. Если известны дифференциальные уравнения процесса, то необходимые для анализа критерии легко находятся из этих уравнений методами теории подобия. Б данном случае таких уравнений нет, поэтому теЬрию подобия пришлось сочетать с теорией размерностей и анализом »и-еического существа процесса теплового' взаимодействия ' отливки, •ормы„ и окружающей среды, что существенно осложнило исследования, но привело к предельно простым окончательным результатам.

Автор создал все необходимые экспериментальные установки, усовершенствовал и раввил методы определения тврмофивичвских свойств материалов* разработал и осуществил измерительно-вычислительный комплекс на базе персональной ЗБН, управляющий всеми экспериментами, расчетами и тепловым режимом затвердевающей отливки.

При внедрении результатов,исследования на производстве и обобщении способов теплового воздействия на отливку соискатель работал с соавторами и пользовался экспериментальными данными других авторов, что отражено в'списке публикаций диссертации.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные результаты диссертационной работы доложены и Обсуждены на XV научно-технической конференции молодых ученых АН БССР "Прочность, пластич-

ность материалов и новые процессы их получения и обработки (Минск, 1990/, "Механика и технология машиностроения" «Свердловск, 1990), Международном семинаре "Литейное производство и экология", "ЕК01ЛТ'93М (Минск, 1993). Б целом работа Обсуждена на расширенном заседании лаборатории металловедения ФТИ АН Беларуси.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опуг.ликованы в одной монографии и одиннадцати статьях.

СТРУКТУРА И 0Б"ЕН ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения. овщей характеристики Работы, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и четыре;' приложений. Работа изложена на 99 страницах машинописного текста и содержит 3 таблицы, 32 рисунка, 132 наименования библиографических ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

во введении дается обзор современного состояния решаемой проблемы, отмечаются имеющиеся трудности, обосновывается необходимость и актуальность исследования и кратко формулируются цель и содержание работы.

В первой главе приводится обзор существующих методов теоретического расчета процесса затвердевания "отливки. Показано, что строгими математическими методами практически невозможно не только решить, но и сформулировать общую универсальную задачу об охлаждении крупногабаритной Фасонной отливки в литейной Форме. Попытки приблизиться к реальным условиям литья приводят к таким сложным и громоздким Формулам, которыми крайне затруднительно пользоваться на практике. Все это заставляет искать иные пути подхода к решению обсуждаемой проблемы.

Трудности практических расчетов возрастают из-за отсутствия в справочной литературе необходимых значений тврмофизи— ческих свойств специфических литейных материалов, поскольку надобность в них Была долгое время ограниченной! в свози с этим созн^лет неотложная задача восполнить указанный пробил. Одновременно актуальным становится вопрос о более широком внедрении в практику расчетов теплового режима отливки электронно-вычислительной техники.

Перспективным представляется подход, основанный на

анализа задачи р затвердевании Фасонной отливки в литейной Форме С помощью совокупности критериев подобии, полученных мвтодакй теорий подобия и газмбрностай и учитывающим Физический механизм обсуждаенйго пяоцисса. При »том урлетсяоьойтись без знании общих дифференциальных уравнении процесса и выявить опрелоланные Упрощенный частные случаи, из -которых затем строятся юлее сложные реальные варианты! о рыз»льтатв вся пройломя . крайне упрощаетеп.

Большую помадь мохвт оказать современная термодинамика неэвратымых (раальных) процессов, которая количастванно определяет взаимное влияние разнородных явлений природы. Это Об'лвгчавт теоретическое решение поставленной проблемы, садану оснащения расчетов необходимыми термофизическими свойствам» м раярадотку соответствующих измерительных датчиков и приборов.

На основе выполненного в первой гласе анализа проблемы доли сформулированы цель и калачи исследования.

Вторая глава содержит теоретические решения поставленной вадачи. Приводятся главные принципы и уравнения термодинамики »■¡воьротимык процессов Пнзагнра, определяющей »саимиоо влияние разнородных явльний природы. Уравнения использованы для расчета термопизических свойств литейных металлов и сплавов и для Экспериментального впрвделония указанным свойств на одном оьрав-ца (комплексный метод>, что существенно повышает точность рее у-Льгатов. Этот метод усовершенствован и распространен на ряд но-* еых коэффициентов и калений.

При обсуждении Физического механизма теплообмена между отливкой, шорной и окрулащей средой кили предложены и детально Проанализированы три классификации' условий литья, позволявши* выявить три наиболее вахныо характеристики процесса! интенсивность теплообмена (пврдая классификация), тепловые емкости отливки и формы (вторая классификация), . их конфигурацию (третья классификация). Этим характеристикам яыла дана количественная цценка методами теорий подобия и-размерностей, что крайне оь-Аегчило решение осей проблемы в целом.

Действительно, свойства отливки, а также производительность процесса литья решающим образом зависят от интенсивности охлаждения металла в «онме И формы в окружающей среде. Схематически система "отливка-Форма" состоит ив- четырех основных алементов! металла отписки толщиной 2Х» и теплопроводностью ,

зазсра тог.шиной л0» и теплопроводностью ?-об (который может аыть заполиаи, например, обмазкой или кокильнэй креской/ ми*пу отливкой и кокилем, стенкой кокиля (или опоки) толщиной- Хш и теплопроводность» , и окружающей сред»<, причям козт"»ицивнт

теплоотдачи на внешней.поверхности кокиля равен . Интенсивность процесса смлагденйп отливку опрвделпзтея термическими сопротивлениями указанных олрчвнтов, то есть величинами

XJh,XJЛов, Х2Д2 М i/o* .

Согласно теория подобия, отношения этих сопротивлений приводят к следующим трем критериям подобия» t . .

Xí/Aj;. Х^б А ев — РовХг/.}^ — Kft гдр floß-Лк/Хеа*

Х2/А2: Хов/Л.6 XA - ¡<2 ; X?,/A-¿: í/оц -fei .

Перечисленные три критерии подобия в обобщенном «Безразмерном ьияе) определяют интенсивность теплообмена- на поое»хности от-лиэки и на внутренней и внешней поверхностях кокиля и характеризуют отношения перепадов температуры в сечениях тел к напорам температуры на их поверхностях. Крайние значения указанных крмтпригг; (много меньше единицы, много больше единицы) позволяют внести в решения уравнений чрезвычайно важнчо упрощения. Благодаря критериальному виду решения приобретают максимальную универсальность•

Характер процесса тепг.ооьпэна нижду г.тливкой, формой и екр уха^-лей сродой существенно зависит такте ст трплэсодержания сгглиоки 01 и типлэвых емкостей о»ма»ки Qu» и кокиля Са. Эта позволяет сконструировать мотопами теории размвркостэй три новых тепловых критерия подобия üi/Cok, йх/Qi и Oi/Qo», которые при их крайних значениях (много меньше единицы, много ьолыие единицы) успешно заменяются параметрическими критериями, пред-стае л .чкчцпми совой отношении соответстэующих толщин отливки, обмазки и кокиля. Находим! Xi/Xo»» Xi/Xael äs/Xu».

Наконец, очень важное значение инает конфигурация отливки и кокиля. Эта проблема решается путем мысленного расчленения отливки на ряд простых элементов (участков), которые затем объединяется в единую термодинамическую систему г помощью принципа изотепмичности, усматривающего, например, одновременное затвегдгвгнпе всех выделенных участков. Это автоматически приводит к снижению напряжений и короелрнип и избавляет от тремин и необходимости решать задачу о взаимном тепловом влиянии смеж—

ных участков отливки. Конфигурационные особенности отдельных простых элементов характеризуются, по А.И. Ввйнику (Приближенный расчет процессов твпоогн»оводности.-К;-Л. « Госэмвргоиздат, 1939.-С.170), тремя критериями конфигурации й»,. Аа и Аз, равными отношению площади поверхности реального элемента F к площади поверхности эквивалентного по Объему алемента F классической конфигурации (плоская стенка, цилиндр, шар), то есть й * F/Fa.

Показано, что перечисленных. 9 критериев необходимо и. достаточно, чтобы охватить все возможные частные случаи. Максимальные упрощения решений достигаются. при крайних значениях (много меньше единицы, много больше единицы) первых 6 критериев подобия. В промежуточном случае, когда эти критерии имеют значения порядка единицы, используется понятие средней калориметрической температуры системы. "отливка-Форма" (А.И.Бейник. Теория затвердевания отливки.—Н.« Машгиз, 1960. — С.237), что гоже резко упрощает уравнения: для простоты распределение температуры в сечениях отливки и формы задается в виде парабол п-го порядка (чаше всего п = 1 или 2). Крайние . и средние значения первых шести Критериев подобия при их сочетании с тремя критериями конфигурации приводит к 12 комбинациям - частным аа-дачам^ охватывающим практически все возможные условия литья; для каждого частного случая были найдены простые расчетные формулы, уловные лля практического применения. Например| в диссертации подробно рассмотрены массивный и тонкостенный, а также облицованные всевозможными способами участки кокиля» холодильники и охлаждающие элементы) песчано-глинистый участок формы) Фильтрация воздуха сквозь песчано-глинистую форму« доьавка в смесь высокотеплопроводных Или, наоборот, низкотвплопроводных (утепляющих) порошков, а также применение вакуума либо повышенного давления газа, и т.п.

Третья глава посвящена экспериментальной проверке всех расчетных методов. Разработана аппаратура для компьютерного управления опытами, расчетами и корректировкой теплового режима отливки. С этой целью создан измерительно-вычислительны)"' комплекс на цаае персональной ЭВМ. Компьютер собирает поступающую от измерительных приборов информацию, анализирует ее по заданной программе, выдает управляющие i сигналы исполнительным устройствам, согласно используемой модели процесса литья, выдает оператору необходимые сообщения о ходе литья в виде грзфичвс-

кой и символьной информации и т.д.

С цель» выполнении всей намеченной программы выла создана многофункциональная установка, акпичающап в свая . ижмвритвлычо-вычислитвльный комплекс, электропечи, систему термопар, электронное коммутационное устройство для поочередного измерения температур'.отливки, кокиля и других объектов и т.п.

При определении тврмофизичвских свойств удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных для чистых металлов было подтверждено на примере результатов, полученных равными авторами. Для сплавов расчеты были сопоставлены с лабораторными опытами, относящимися к композициям на

»

основе алюминия (АЛ2, ЙЛ4, нЛ=>>, меди (латуни Л62, /1СЗЧ-11 бронза АЖ9-4Л), железа (СтЗ, СтЗ, Ст43, У8>. Погрешность расчетов не превышала 5а, только для стали Ув достигает 12Х, что вполне приемлемо для литейной практики. Были определены также твр-мофиэичоские коэффициенты серых чугунов СЧ20, СЧ15 и других.

Обширной проверке подвергнуты приближенные формулы, предназначенные для расчета процесса затвердевания отдельных участков сложной Фасонной отливки. В случае песчано-глинистой формы испытаны, например, алюминиевые и чугунные плоские отливки. Погрешность при определении длительности затвердевания не

превышает 2-3 л» коэффициент аккумуляции тепла Ба неметал-

4- 1

личвских форм изменялся в пределах 800-4000 Бт. сг/(м К> J - дли тельность затвердевания отливки обратно пропорциональна квадрату величины этого коэффициента* показатель степени параболы, описывающей температурное поле формы, 2, а для температурного поля отливки Т1Х — 1 •

Применительно к металлической Форме подробно рассмотрен процесс затвердевания стального слитка в изложнице (Б.Н. Тагввв, Б.о. Гуляев). При этом использовано понятие средней калориметрической температуры (это наиболее сложный случай), Показатель степени параболы, описывающей температурное поле цилиндрического слитка, Т14«1. Погрешность расчета времени полного затвердевания слитка составляет около 2 X. Большое число других экспериментальных данных, сопровождаемых расчетами, приведены в следующей главе. Бо всех случаях расчеты дают приемлемые для технологических цепей результаты.

Б четвертой главе излагаются практические рекомендации, облегчающие внедрение сделанных разработок в практику питейного

id

производств*. Большое внимание уделено обсуждению существующих спосгзвов теплового воздействия на различные участки сложной отливки и установлении эффективности каждого иа этих способов..

Речь идет о количественной оценке тех средств, которыми располагает инженер при проектировании технологического про-ццсеа литья, в частности, при выборе и согласовании ичтеи-сивноствй охлаждения отдельных участков сложной отливки. Иными словомм, рассмотренные средства предназначены для объединения мысленно выделенных участков отливки в единую термодинамическую систему с помощь» принципа изотврмичности, о котором уже говорилось» Номинальные перепады температуры между различными участками отлиаки способствуют уменьшению термических напряжений и препятствуют позникновению трещин. Kpdmb того, это позволяет существенно повысить производительность литейного цеха благодаря ускоренному о>:лаждени*> наиболее массивных частей отливки.

Разумеется, при еыаора технологии часто приходится решать целый ряд сопутствующих задач. Например, спя ивьвжания отвела скорость затвердевания чугунной отливки или ее частый на должна превышать определенного уровня. Б других случаях, наоборот, при малой скорости затвердевания некоторых легированных сталей могут возникнуть нежелательные мехзвренние дефекты. По-првж-нему сохраняется потребность обеспечивать питание определенных участков отливки, особенно массивных, в ходе их затвердевания, и т.п. Е'со ато учитывается на стадии проектирования технологического процесса при выееге и согласовании условий охлаждения различных участков отливки.

Однако не всегда удается удовлетворить одновременно всем противоположным требованиям, предъявляемым к условиям охлаждения отливки и ее свойствам. Тогда приходится идти на компромиссы, допуская частичное выполнение одних требований за счет других. Бые-ор параметров технологии крайнв облегчается благодаря простоте расчетных формул, позволяющим легко решать как прямые задачи (находить свойства по заданной тэхнологии), так и оьра-тные (выьирати технологи» по заданным свойствам!, причем обратные задачи многевариантны.

Требования к тепловому режиму диктуются различными дополнительными (по отношению к тепловым) металловедческими, механическими и иными.соображениями. Например, при желании полу-

i'i

чить заданную структуру чугуна ножно воспользоваться структурно й диаграммой Г.Ф. Блламдина, свявывающвй скорость затвердевания со структурой. Если нужно избежать понижении трещин, то следует наложить ограничения на возникающие при Формировании отливки разности температур как в с(»чонии данного участка от-ливчи, так^и между различными ее участками, что яолжно »ыть прцдписано теорией прочности и пластичности. Однако рев эти дополнительные «опросы выходят за рамки томы настаящвн диссертации.

С цепью Облегчении указанного выворв технологии в главе приводится Обширный оввещаюинлй еактичпекий материал, пояуччн»*ый автором и другими исследователями. В данном г.пучв« речь идет п-выьоре только тепловых условий литья, с помощь» которым должны выть реализованы требования потребителя, желающего ив определенного сплава получать отливку с интересующими его структурными, прочностными, геометрическими и т.п. характеристиками. Знание располагаемы« возможностей дает а руки технологу авеективный инструмент управления свойствами отливки.

Применительно к песчано-глинистсй фпрм» в глав» говорится о том 1 что путам изменения параметров формовочной скаси нпльая сильно повлиять на интенсивность процесса очлаждвния отливки. Напримерj посредством увеличения влажности удается повысить коэффициент аккумуляции тепла формы Б» до Si'/., увеличения плотности наеиаки до 15"а, увеличения содержания глины до Юл, С ростом размера песчинок коэффициент Ъи увеличивается до 2u'i. Применение давления газа а автоклаве повышает В» на 504, а вакуум уменьшает на 3,3X. Более заметно влияет температура кристаллизации заливаемого металла! рост температуры до 700 К сникает Б» на 20 Z, а пт 700 до 1700 К - увеличивает на 100% <в Л раза). Однако наиболее эффективными оказываются специальным меры* например, односторонняя Фильтрация (продувка) воздуха сквозь поры формы ускеряет процесс ватвердееания и 2 гаая, а Фильтрация с двух сторон отливки ~ в 3,7 рааа. Если в емвеь гафермоаать полые металлические элементы или труьы, па которым пропускается охлаждающим воздух, то время затвердевания отливки можно уменьшить в 2 и более ре». Весьма существенно действуют холодильники, добавки а формовочную смесь утепляющих и высоко-твппопрсводних порошков, осоаого рода металлические вкладыши, облицованные формовочной смесь», и т.п.

Рассмотренные примеры при их логическом развитии неизбежно приводят к идее о возможности отказаться от неограниченной в тепловом отношении песчано-глинистой формы и перейти к оормв ограниченной. При этом ограничивающим объектом может служить опок» или тело соответствующего облицованного или комбинированного кокиля, которые резко сокращают длительность производственного цикла, повышают производительность и улучшают условия труда, снижают производственные затраты и т.д.

В качестве очен!, эффективного примера в диссертации подробно рассмотрена технология отливки крупногабаритной чугунной станины для отрезного станка ВБ66 на Минском станкостроительном заводе (масса станка 1430 кг, габариты 730 X 300 X 2010 мм). При литья в обычные опоки толщина песчано-глинистой прослойки равна 130 и 200 мм, Время выдержки в Форме 36 ч. При переводе на малоОбъемную опочную оснастку с прослойкой 70 - 90 ми время выдержки составила 12 ч. Наконец в результате проведенных исследований \БПИ, \ЬТИ нН БССР, Минский станкостроительный завод) были применены облицованный кокиль, организованный' в виде кокильного станка, и ранняя.выбивка} время выдержки сократилось яо 17 - 20 мин при существенном уменьшении перепадов температуры и повышении качества отливки (Гороховик Н.К., Нилоз й.К., Вейник й.И., Чигир И.Д., Байтман Б.Г., Логинов И.З., Петровский В.И., Жмакин Н.П., Кучерявый й.Г., Бондарев Б. й. —Кокильный станок. Авт. св. СССР, кл.31 Б2, 15/04, N240203, 14.1.1969). Этот уникальный метод изготовления крупногабаритной Фасонной отливки в облицованном кокиле можно рекомендовать для широкого внедрения на производстве.

В главе излагаются также практические рекомендации по правильному обслуживанию всех экспериментальных установок« основных, для определения термо®изических свойств, измерительно-вычислительного комплекса и т.д.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

X. Разработан, исследован и опробован новый универсальный метод поучасткового расчета теплового режима затвердевания крупногабаритной Фасонной отливки в облицованном или комбинированном кокиле. Метод заключается в мысленном расчленении Общей

сложной универсальной задачи Си отливки) на ряд простым частных задач (участков отливки), поддающихся легкому аналитическому решению с помощью особой системы и* 9 критериев подобия, - характеризующих относительную интенсивность теплообмена между отливкой, формой и окружающей средой, относительную теплоемкость „тлизки и •ормы и . относительную конфигурационную сложность выделенных участков отливки. Критерии использованы при формулирозкв 12 простых частных задач (условий) о взаимодействии отливки и формы, на которые распадается общая задача и которые поддаются простому аналитическому решению.

2. Г(ри расчете сложная . Фасонная отливка мысленно расчленяется на ряд простых участков (и задач). Объединение всех отих участков в единую термодинамическую систему осуществляется на основе принципа изотврмичности, например, путем вивора

. одинаковой длительности затвердевания выделенных участков. Все »то обеспечивает должную универсальность предлагаемого метода. Благодаря принципу ■ изртврмичности автоматически снижаются напряжения и короалемие, а так*« устраняются трещины и необходимость решать сложный «опрос о взаимном тепловом влиянии смежных участков отливки.

3. Для всех выделенных участков отливки приведены просты» расчетные формулы, позволяющие с одинаковой легкостью решать как прямые технологические задачи - по заданным начальным параметрам заливаемого металла и формы рассчитать свойства будущей отливки, так и обратные - по заданным свойствам отливки подобрать необходимый технологический процесс (обратная задача многоввРиантна/. Выведенные расчетные формулы Обеспечены необходимыми термофизичвекими коэффициентами. Для «того разработаны эффективные методы их определении. Многочисленные эксперименты показывают, что погрешность Расчетов не превышает 3 -10а, - этого вполне достаточна для технологических целей.

4. Проведен обширный анализ средств, с помощь» которых литейщик может воздействовать на тепловой режим затвердевание отдельных участков сложной Фасонной отливки, даны соответствующие количественные рекомендации, приведен пример эффективного использования облицованного кокиля на практике.

3. Разработан измерительно-вычислительный комплекс на базе персональной ЭВМ, осуществляющий все расчеты, управляющий всеми экспериментами и в случав необходимости корректирующий тепловой режим сложной отливки в производственных условиях.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕНЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вейник А;И., Комлик С.*. Новый универсальный метод расчета процесса затвердевания сложной Фасонной отливки //В»сц1 АН Бел'РУс!. Сер. е1з.-тзхн; мавук. -199Ь, W3. - С. 112-115.

2. Вейнйк А.И., Комлик С.Ф. Приближенный расчет затвердевании вагонной отливки, основанный на к*-1териапьном анализе общей задами //Литейное производство. -1996, N10..

3. Вейник А.И., Конлик С.Ф. Комплексное определение хроно-•ижических свойств материалов. Нинск« Нлчука i тахн1ка. 1992. -95с. (Разделы, посвященные определению термоеизических свойств).

4. Вейник А.И., Комлик С.Ф., Натулис 3.Б. Дистанционный контроль времени затвердевания отливки //Литейное производство. 1991, N3. - С. 10-1i.

5. Вейник А.И., Комлик С.Ф., Натуяис Э.Б. Метод дистанционного бесконтактного контроля изменений напряженного состояния материале» 7/Литейное производство. 1991, N12. - С. 9-10.

6. Комлик С.Ф.-, Натулис Э.Б. Автоматизация теплофизическо-го эксперимента //'Сь. Прочность и пластичность материалов. Нинск, 1990. - С. 4.

7. Комлик С.Ф. О программном Обеспечении автоматизированного кизического эксперимента //Сь. Прочность и пластичность материалов., Нинск. 1930. - С. 50. _

В. Вейник А.И;, Натулис. Э.Б., Комлик С.Ф. Нетод неразру-шамщего контроля материалов //Сб. Микроэлектронные датчики в машиностроении. Ульяновск. 1990. - С. 118. . .

9. Бейник й.И., Натулис. Э.Б., Комлик С.Ф. Метод дистанционного контроля напряжений в отливках //Сб. Механика и технолот . гия машиностроения. Свердловск. 1990. - С. 115.

Ю. Бейник А.И., КомлиК С.Ф. Х'ройальный метод регистрации бЫстропРотекаищих изменений агрегатного и напряженного состояния ' материалов //Сб. международного семинара литейщиков "ЕКОЛИТ'931' Нинск. 1993. - С. 37-33. (Разделы, посвященные измерительно-вычислительной аппаратуре). ' ■ , ' ■

11. Вейник А.И., Комлик С.Ф. Экспериментальное определение хрональных свойств материалов //Литейное производство. 1992, N5. - С. 3-12. (Разделы, посвященные измерительной аппаратуре).-

12. вейник й.и., комлик с.Ф. Влияние коронного разряда на процесс затвердевания отливки //ДАН Беларуси.- 199&, Той 40, N3. -С. 115, 116.

13

рэЗКНЕ

К0МЛ1К Ср»гвй «едарав^ч "Распрацоука мвтаду разл1ку цеплавога' рахыму иацвердзяванмн ьуйнагабарытнай Фасоннай адл1ук! у а&л1цаваным 1 кам^1н1раваным кок1лях"

Ключавыи словш тармадынам1ка, тэрма?»»1чныя уласШва-cui матэрыялау, клас!Ф1кацыя адлгвак 1 форм, мысленнаа расчля-ненне адл1ук! на участи!, аьл1цавани i камб!н1равяны коюл!, цеплйвы ра*л1к, к1ра«анне зацвардзяваннем адл!вак.

Распр'ацаваны, даследаваны i дпраьаваны новы ун1версальы»|. мвтад паучасткавага >авл1ку цеплавога Рахиму а матам к!рааання лрацэсам зацвердзявання буйнагааарытной Фасоннай »ftfltyKi у аьл1-цаваным i камб1н1равамым кок!лях. 3 дапамогай 9 крыторыяу пада-•внства,- як!я характарыэукць адносну» 1нтзнс1унасць цеплаабмену лам ix адл< укай, аормай 1 навакольным асироддзвм, «дносну» цвпяа-вум BMiCTacUk aeni ук» i формы i адносну» кан*1гурацыйн>'М склада* насци адл1рк1 i формц, СФаРмуляваны 12 простых приватных аадач.

Прыватныя задачи i адлаввдныя 1м участк1 дадзенай адл!ук1 ав"ядноуваицца у ад«1ну» тормадынам1чну» с1стаму пры дапамоз» прынцыпу 1»aTQPMlчнасц!.

Нвтад аправаввны на лааараторных установках, падивцр-дханы вытворчым1 выпраааванням!. Дадзены практычныя рэкамендацы! па выкарыстоуваннм мвтаду пры л4цц1 стан!н i 1ни>ых буйнагабарыт-ных адл!вак.

РЕЗИНЕ

КОИЛИК Сергей Федорович.

"Разработка метода расчета теплового рехима затвердевания

крупногабаритной Фасонной отливки а облицованном и комбинированном кокилях"

л ■

Кличевыо'слова« Термодинамика Онзагвра, т»рмо»и»ичвскив свойства материалов, классификация отливок и ©dpm, мысленное Расчленение отливки на участки, облицованный и комбинированный кокили, тепловой расчет, управление затвердеванием отливок.

Разработан, исследован и опроеован новый универсальный метод поучасткового расчета' теплового режима с целы« управления процессом затвердевания крупногабаритной Фасонной отливки

■ облицованном и комбинированном кокилях. Сформулированы Х2 простых частных задач с помощью 9 критериев подобия, характеризующих относительную интенсивность теплообмена между отливкой, формой и окружающей средой, относительную тепловую емкость отливки и формы, и относительную конфигурационную сложность отливки и формы. Частные Задачи и соответствующие им участки данной отливки объединяются в единую термодинамическую систему посредством принципа изотсрмичности.

Метод опровован в экспериментах на лабораторных установках, подтвержден заводскими измерениями. Даны практические рекомендации по использованию метода .при литье станин и других крупногабаритных отливок.

SUMMARY

KOHL IK Sergey Fyodorovicfi "Development of method for calculating thermal conditions required for hardening large-sized shaped casting in faced and combined metal mold*"

Key wordet Onsager -thermodynamics. Imaginary division of casting into parts, faced and combined netal molds, calculation of thermal conditions, control of casting hardening.

А пек universal method is developed, investigated and tested for the purpose of carrying out successive calculation of thermal conditions for corresponding parts of a casting in order to control a hardening process of a large-sized shaped casting in' faced and combined metal molds. Twelve simple special problems are formulated with the aid of nine, similarity .criteria. They characterlie a relative intensity of » heat transfer proceeding between, a casting, a mold and environment as well as a relative configuration complexity of a casting and mold. The special problems and parts of a given casting corresponding to thorn are combined in a single thermodynamics system by means of principle of isothermality.

The method was expert mental 1 у tested using laboratory, units and confirmed by measurements at plant conditions. Practical recommendations are given concerning the uce of the method for casting of beds and other large-sized castings.

KoMhU-^L