автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка методик расчета исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов

На правах рукописи

Федулова Юлия Сергеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ИСПОЛНЯЕМЫХ РАЗМЕРОВ ДОЖДЕВОЙ И ВЕРХНЕЙ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 '-'оя 2013

Рыбинск-2013

005539565

005539565

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» на кафедре «Материаловедение, литье и сварка».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

д-т.н.

Изотов Владимир Анатольевич

Смыков Андрей Федорович, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический

университет имени К.Э. Циолковского», профессор кафедры «САПР и ТЛП»

Чудайкин Александр Иванович, к.т.н., ОАО «НИАТ», начальник лаборатории технологии литейных процессов НТК «Цифровые технологии»

Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск.

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г., в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.110.05 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования - «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К. Э. Циолковского» по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, д.З, аудитория № 523А, корп. А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ - Российского государственного технологического университета имени К. Э. Циолковского».

Автореферат разослан « // » ноября 2013 года.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, д. 3, «МАТИ», ученому секретарю дис. совета Д 212.110.05, а копию отзыва - на электронный адрес: iva_l 1 lk@mail.ru, телефон: 8 (499) 141-94-53.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета Д 212.110.05 кандидат технических наук, доцент

Палтиевич А.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Получение отливок из алюминиевых сплавов является очень сложной задачей, так как эти сплавы имеют высокое сродство к кислороду, малую удельную массу и высокую теплопроводность, то есть эти сплавы относятся к сплавам группы А согласно классификации д.т.н. Чистякова В. В., имеющим склонность к образованию браков типа «спай», «газовая пористость», «рыхлота» (в зоне образующегося «проточного течения»). Для получения алюминиевых отливок, в основном, используются литниковые системы типа: сифонной, ярусной, вертикально-щелевой, расчет которых производится по методикам, разработанным к.т.н. Галдиным Н. М. Однако, полученные результаты не всегда позволяют получать годные корпусные тонкостенные отливки. Это связано с тем, что часть отливки становится литниковой системой для более удаленных частей, что приводит к различным усадочным дефектам. Поэтому совершенствование подачи металла в полость формы без использования ее в роли литниковой системы является очень актуальной задачей и позволит уменьшить затраты на подготовку производства и обеспечить возможность получения годных корпусных протяженных отливок. Существующие системы математического моделирования не позволяют достаточно точно и быстро выбрать необходимую литниково-питающую систему, особенно для тонкостенных алюминиевых отливок, так как не обеспечивают адекватное отображение происходящих в полости литейной формы процессов, что связано с особенностями алюминиевых сплавов (массообмен, проточно-поперечное течение). Эти условия может обеспечить верхний подвод расплава, дождевая литниковая система, которая нашла применение при получении отливок из чугуна. В тоже время в работах к.т.н. Галдина Н. М. не рекомендуется применять верхний подвод металла для литья алюминиевых сплавов, так как алюминиевые сплавы имеют большое сродство к кислороду и это может привести к повышенной окисляемости расплава. Анализ литературных данных показывает, что надежные методики расчета дождевых литниковых систем для алюминиевых сплавов отсутствуют, хотя системы такого вида получили достаточно широкое распространение в практике чугунного литья благодаря ряду преимуществ. Во-первых, подобные литниковые системы дают возможность обеспечить направленное заполнение и затвердевание отливок, что позволяет получать годные отливки, во-вторых, они обеспечивают достаточно высокий выход годного литья. Однако, как показали теоретические исследования, методик проектирования дождевых и верхних литниковых, систем для алюминиевых сплавов не существует, не существует и данных о поведении алюминиевого расплава в полости формы при таком подводе, то есть возможность применения таких литниковых систем ограничена. Поэтому проблема разработки методик

расчета дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов с учетом выбора рациональных размеров, параметров заливки и условий заполнения полости форм расплавом, обеспечивающих отсутствие в отливках дефектов на стадии заполнения, является весьма актуальной.

Цель работы: Развитие теории и практики изготовления отливок из алюминиевых сплавов на основе изучения закономерностей течения расплава в дождевых и верхних литниковых системах.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных задач:

1. Теоретическое и экспериментальное изучение гидродинамических особенностей истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы, исследование процесса взаимодействия падающей струи с ванной расплава и определение критического значения силы удара струи, обеспечивающих получение отливок из алюминиевых сплавов без возникновения дефекта «газовая пористость», в условиях влияния на эти процессы стенок литейной формы.

2. Определение функциональной зависимости длины «компактной» части струи алюминиевого расплава от величин напора и диаметра «дождевого» питателя.

3. Определение минимально допустимой скорости заполнения полости литейной формы алюминиевым расплавом при дождевом подводе, обеспечивающей отсутствие в отливке дефектов «спай», «неслитина».

4. Теоретическая и экспериментальная оценка процесса теплообмена при истечении алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы.

5. Разработка математической-модели процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе и на ее основе разработка методик проектирования и расчета основных параметров и исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для получения отливок из алюминиевых сплавов.

Научная новизна работы:

1. Изучен процесс истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы. Впервые предложен критерий, описывающий характер течения алюминиевого расплава, который накладывает ограничения на параметры заливки и размеры дождевой литниковой системы.

2. Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование максимально и минимально допустимых скоростей заполнения полости литейной формы алюминиевыми расплавами по критическому значению силы удара струи о ванну и по охлаждению фронта потока расплава в условиях дождевого и верхнего подвода.

3. Впервые предложена обобщенная математическая модель процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе, позволяющая рассчитать рациональные исполняемые размеры и параметры литья, обеспечивающие получение отливок из алюминиевых сплавов без образования дефектов на стадии заполнения.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработаны методики проектирования и расчета исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов при гравитационном литье с учетом критериев качества на стадии заполнения, наложенных ограничений на заполняемость, и позволяющие разработать исходный вариант технологического процесса литья.

2. Разработан пакет программ расчета на ЭВМ исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов.

3. Предложен комплексный подход к решению проблемы повышения точности и эффективности технологической подготовки процессов литья алюминиевых сплавов, заключающийся в совместном использовании методик проектирования и расчета исполняемых размеров дождевых и верхних литниковых систем и систем математического моделирования литейных процессов.

4. Разработанные методики расчета дождевой и верхней литниковых систем прошли промышленные испытания в ЗАО «Завод гидромеханизации» и в ООО «Литейно-механический завод», г. Рыбинск.

5. Результаты работы в виде математической модели, методик проектирования и расчета исполняемых размеров дождевых и верхних литниковых систем и программы расчета на ЭВМ исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье и сварка» РГАТУ имени П. А. Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также курсовом и дипломном проектировании.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом НИР «Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева».

Основные положения, которые выносятся на защиту:

1. Критическое значение силы удара струи алюминиевого расплава, накладывающее ограничения на размеры дождевой и верхней литниковых систем с целью обеспечения отсутствия в отливке газовых дефектов на стадии заполнения.

2. Минимально допустимая скорость заполнения полости литейной формы при дождевом подводе алюминиевого расплава, обеспечивающая отсутствие в отливке дефектов «спай», «неслитина» на стадии заполнения, и

накладывающая ограничения на исполняемые размеры дождевых литниковых систем.

3. Алгоритм расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием теоретических положений литейной гидравлики, теорий подобия и теории размерностей; высокой воспроизводимостью результатов при физическом моделировании и экспериментальных исследованиях; корректным применением методов математической статистики для обработки экспериментальных данных, высокой значимостью и адекватностью полученных математических моделей и корреляционных связей; и подтверждается хорошим совпадением результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также положительным результатом при опробовании разработанных методик в производственных условиях.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на XXXVI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАГИ, 6-10 апреля 2010 г.), ХХХУШ Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 10-14 апреля 2012 г.), IV Научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (г. Самара, 27 - 30 марта 2012 г.), XXXIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 9-13 апреля 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы."Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений на 23 стр. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 101 рисунок, библиографический список имеет 201 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность решаемой научно-технической проблемы снижения объема брака отливок из алюминиевых сплавов, сформулирована цель и поставлены задачи исследований, излагается научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, формулируются основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ отечественной и зарубежной литературы по исследуемому вопросу. Представлена классификация основных литниковых систем, применяемых при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов. Отмечается, что при заполнении полости литейной формы снизу образуется проточное течение, которое приводит к возникновению дефектов «газовая и

усадочная пористость», «рыхлота», «спай». При заполнении полости литейной формы сверху проточное течение отсутствует, а, следовательно, вероятность образования данных типов брака снижается, обеспечивается направленное затвердевание. Дождевые литниковые системы применяются, в основном, для производства отливок из чугуна. Для алюминиевых сплавов исследований характера заполнения полости формы сверху не проводилось. Не существует и надежных методик расчета дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов. Из-за различного сродства к кислороду происходящие процессы на поверхности расплава для алюминиевых сплавов и чугунов имеют разный характер. На качество отливок из алюминиевых сплавов, полученных с применением дождевой литниковой системы, существенное влияние оказывают такие факторы, как скорость заполнения полости литейной формы расплавом, сила удара струи о поверхность расплава и охлаждение падающей струи расплава, поэтому методику расчета дождевой литниковой системы для чугунов применять нельзя. На основе изучения состояния вопроса сформулированы основная цель и задачи исследования.

Во второй главе описаны применяемые для исследования алюминиевые сплавы системы Al-Si. Рассмотрены процессы математического и физического моделирования процесса заполнения. Описана методика и представлена установка для гидродинамического моделирования процессов образования газовых дефектов в тонкостенных отливках типа «плита» в зависимости от силы удара струи. Представлены методики по определению «компактной» части струи расплава, теплоотдачи струи расплава, а также методика радиационного контроля и металлографического анализа опытных отливок. Математическая обработка результатов проводилась с помощью программы «Statistica 6.0».

В третьей главе представлен теоретический и экспериментальный анализ характера истечения расплава из отверстий дождевой литниковой системы. При моделировании процесса установлено, что при взаимодействии струи с ванной моделирующей жидкости происходит образование «спутниковых» капель жидкости вокруг центральной струи и образование зоны возмущения, площадь которой увеличивается с увеличением диаметра отверстия и напора. Гидромоделирование показало, что существует предельное значение силы удара падающей струи о поверхность жидкости, при котором происходит резкое нарастание газирования (образование «вторичного шлака»). При падении капли при всех тех же параметрах возмущение значительно слабее. Однако считается, что каплями заливать расплав нельзя, так как происходит большее окисление сферической поверхности капли и захват воздуха в расплав, чем при заливке сплошной струей. Поэтому необходимо исследовать процесс падения струи жидкости и установить зависимость между

силой удара падающей струи жидкости и площадью возмущения, которая образуется при взаимодействии струи с ванной жидкости и со стенками формы. Применяя второй закон Ньютона, определяем формулу для расчета силы удара струи:

Л' = 2-р-я-г2-§-ц-Л/Я-(ц2-Я+/г). (1)

Дня определения зависимости между силой удара струи жидкости о поверхность расплава и площадью образовавшегося возмущения проведено гидромоделирование процесса падения струи жидкости в полость типа «пластина». Определялась площадь возмущения 5В03М, сила удара струи о поверхность формы N по формуле (1), предельное значение силы удара струи жидкости, при котором наблюдается образование максимальных зон возмущения и захвата воздуха (рисунок 1). Но по результатам гидромоделирования на моделирующих жидкостях что-то более конкретное про загрязненность алюминиевых сплавов сказать невозможно. Для этого необходимо проводить моделирование на реальных сплавах. При заливке сверху, после истечения из отверстия расплав может двигаться как в форме нераспавшейся («компактной») струи, так и распадаться на отдельные сегменты и капли. Такой характер движения расплава влияет на механизм заполнения полости формы, что в свою очередь, приводит к образованию в отливках газовых дефектов. Докторами В. В. Чистяковым и В. А. Изотовым установлено, что искомая величина относительной длины компактной части струи I может

быть определена из уравнения подобия:

¿ = с-Рг°\УеА; (2)

Критериальную зависимость (2), полученную для падающей струи, можно использовать и для оценки длины компактной части струи не только чугуна, но и алюминиевого сплава, определив экспериментально новые коэффициенты зависимости. Таким образом, для расчета Ь получено следующее уравнение:

0,02t) 3,030 0,030 0,0*0 Сила удара струи жидкости н

(3)

Рисунок 1 - График зависимости площади возмущения от силы удара падающей струи на поверхность жидкости

Ь = а-¥хх ■ We-V = 10,17 -Рг0-16 • \Уе0'41 , (г2 = 0,72, г = 0,85) при 1 < \Уе < 9, 25 < Рг < 160.

Зависимость (3) позволяет рассчитать длину нераспавшейся части струи, величина которой, оказывает весьма существенное влияние на процессы, приводящие к образованию газовых дефектов в отливках. Для проверки адекватности формулы (1) проводились эксперименты по заливке песчаных форм. Параметры экспериментальной формы: размер полости формы

типа «плита»: высота 200 мм, ширина 200 мм, толщина 5, 9, 10 мм; высота «стояка-колодца» 250 мм, сечение размером 25x25 мм; напор в литниковой чаше 50 мм и 100 мм. Диаметры отверстия в литниковой чаше: d0тв= 3, 4, 8, 10, 12 мм. Отливка заполнялась либо струей, либо струей и фрагментами. Температура заливки сплава АК12 - 760 °С. Экспериментальные отливки подвергались рентгенодефектоскопии (рисунок 2). Загрязненность рассчитывали согласно рентгенодефектоскопии опытных отливок по формуле:

2 = (5В1С1/5отл)-100%, (4)

где SBKI¡ - площадь включений, м2; S0T, - площадь сечения отливки, м2. По результатам

экспериментальных исследований построен график зависимости загрязненности отливок от силы удара струи (рисунок 3), из кото-

Отливка Na 2 Н = 100 мм. d = 10 мм. h - 450 мм

S„ = 0,M»r ^вл =0.001 м* N, = 0,49 И. Z, = 6.34 %

Рисунок 2 - Экспериментальная отливка и снимок ее рентгенодефектоскопии poro следует, что загрязненность возрастает с увеличением силы удара струи о поверхность расплава. Анализ полученных результатов показал, что значительный рост загрязненности наблюдается при достижении силы удара 0,28 Н и выше, что может являться критическим значением: А'кр = 0,28 Н.

В четвертой главе установлено, что образованию дефектов типа «спай», «неслитина» способствуют неправильно выбранная величина температуры заливки, о.» высокая теплоаккумулирующая

способность литейной формы, а также недостаточная скорость заполнения.

0,3 0.4 ОпЦКиПН

Рисунок 3 - Зависимость загрязненности отливки от силы удара струи расплава

Задача по определению минимально допустимой скорости заполнения полости литейной формы при дождевом подводе расплава решается с помощью теории размерностей и я-теоремы. Для решения задачи определена функциональная зависимость скорости заполнения от различных влияющих на нее факторов:

/Соф, ¡ом, Юф, СГ, Рм, Рф, К, ^ф> & Н, К См, Сф, V, Гзал) = 0, (5)

В результате получено показательное уравнение для расчета скорости заполнения полости литейной формы при подводе расплава на поверхность ванны:

Юф =К

kKJ

н_

V^OM

а • v

/2 оф

(6)

ч .-Рм■g-h/

Коэффициент пропорциональности к0 и показатели степени а, Ъ, с определяются экспериментально. Для определения численного значения к0 и показателей степеней проведены эксперименты на опытных отливках типа «пластина» из сплава АК7. В литниковой чаше изготавливались заливочные отверстия диаметром 3 мм, где их количество п изменялось от 1 до 4 (рисунок 4). Параметры опытной формы: напор в чаше 50 мм, размер полости формы типа «пластина»: высота - 250 мм, ширина - 120 мм, толщина 5 - 5, 6, 7, 8, 9, 10 мм. Температура заливки расплава АК7 - 700 °С. Дефектность экспериментальных отливок определялась визуально по наличию брака «спай», «недолив». Заполнение полостей форм проводилось с различными скоростями до появления дефектов «спай», «недолив», рассчитывалась скорость заполнения полости литейной формы расплавом по формуле (7), и определялась скорость,

при которой появлялся дефект:

(7)

где 5ф - площадь сечения формы, 5ф = 5- Ь, м; Ъ — ширина пластины, м; 5 - толщина пластины, м; Qoгв - расход в заливочных отверстиях, м7с.

яШШ

Рисунок 4 - Схема и изготовленная по ней экспериментальная литейная форма По результатам экспериментов с помощью пакета прикладных программ «81айз11са» определены численные показатели степеней уравнения (6):

-1.9 f

/оф -р„ -g-h

, Г = 0,98,

(8)

Сравнение экспериментальных и расчетных значений скорости заполнения полости формы металлом показывает их хорошее совпадение (г = 0,98).

В пятой главе представлены результаты исследований по определению теплоотдачи падающей струи расплава. Для обеспечения заполняемости отливки при дождевом подводе расплава необходимо учитывать его охлаждение в каналах литниковой системы и при самом падении в полости литейной формы. Для определения охлаждения расплава в струе при падении в полости литейной формы разработана экспериментальная установка, позволяющая изменять размеры отверстий в чаше с1тв = 4, 5, 6 мм, напор Л =0,05 м, высота падения струи к = 300, 400, 500 мм. Охлаждение струи

оценивалось с помощью дифференциальной термопары (ХА диаметр 0,02 мм) и измерительного устройства. Температура заливки расплава (сплав АК12) 700 °С. При теоретическом решении задачи рассмотрен процесс теплообмена между падающей струей и атмосферой. Приняты следующие допущения: течение металла стационарно, скорость Ю(лр струи принимаем средней и постоянной по высоте падения; физические свойства расплава и формы постоянны; температура формы в начальный момент времени равна - Гфн; температура окружающей среды Г0]ф - постоянна; температура заливки металл!

- постоянна; ввиду высокого значения теплопроводности металлов перепад температур по сечению участка струи или фрагмента отсутствует. Теплоотдача с поверхности расплава в окружающую среду осуществляется за счет теплового излучения 0ШЛ и конвективной теплоотдачи Отш. Температура заливки расплава может быть определена на основании решения уравнения теплового баланса:

бслр = 0ВОЗД > (9)

где Остр - количество тепла, передаваемого с поверхности струи расплава в окружающее пространство за счет конвекции и теплового излучения, Дж:

бстр = 6ксмв +й«л> (10)

бвозд - изменение теплосодержания струи расплава, Дж:

бвозл =4-с-р-71-/02-/г .дг^. (11)

Решением уравнения (9) относительно температуры заливки является уравнение (12):

Т _а-Гпов-Ат-2.Дт.а-Гокр+2-с-р./0.Гпов

зал о —:--(12)

2 • с ■ р ■ /0 - Дт • а

Для решения уравнения (12) необходимо знать теплоотдачу, которая определяется в условиях эксперимента по формуле:

с ■ р ■ АТ ■ 10

---V (13)

Дт • зал ПОВ _ т-

( 2

В результате статистической обработки данных получена функциональная зависимость числа Нуссельта (Ыи) от критерия Пекле (Ре), позволяющая рассчитать теплоотдачу струи расплава а при падении в полости литейной формы с применением дождевой литниковой системы (рисунок 5):

Ш,ж=1,2-10-6.Ре^,Ре^<85,(г = 0,9), (14)

Таким образом, теплоотдачу расплава можно определить по формуле:

а = (1,2-10-6.Ре^.л)//0. (15)

млолгге-гчРе-ад

Сравнение расчетных и экспериментальных значений

теплоотдачи падающей струи расплава показывает их хорошее совпадение (г = 0,9). Потери температуры металла в каналах литниковой системы рассчитываются по формуле:

Рисунок 5 - Зависимость № - Ре

= ¿(о,93б(Кег5ж-/о/лк/1глкГ0'75

Т

1 зал

(16)

(=1

где Яе^ж - критерий Рейнольдса, определяется по формуле (17) для каждого литникового канала, в котором нужно определить охлаждение расплава:

К-е/б^е = (®/лк "¿О/лк)/^ > (17)

V - кинематическая вязкость расплава, м2/с; ¿;як - длина литникового канала, м; /Шлк - характерный размер элемента литниковой системы, м; к - количество литниковых каналов, в которых определяется охлаждение расплава.

Таким образом, температура заливки определяется по формуле (18):

Т =-

а' Гпов • Ат - 2 - Ат • а ■ Гокр + 2 • с • р • /0 • Гд,

(

(18)

(2-с-р-/0 -Ах-а)-

1-1

/=1

0,93

В шестой главе предложена математическая модель процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе, которая позволяет: определить рациональную скорость заполнения с условием отсутствия дефектов на стадии заполнения - «спай», «неслитина», «вторичное шлакообразование»; определить необходимую температуру заливки с учетом охлаждения расплава в каналах литниковой системы; рассчитать исполняемые размеры дождевой литниковой системы. На базе математической модели разработана принципиально новая методика расчета рациональных исполняемых размеров дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов, обеспечивающая отсутствие образования в отливках дефектов «газовая пористость», «спай» на стадии заполнения.

Для проверки адекватности разработанной методики проводились экспериментальные заливки. В качестве опытной отливки выбрана отливка «Крышка» из сплава АК12, масса отливки 2,4 кг, средняя толщина стенки отливки 3 = 0,006 м, габаритные размеры 310x162x128,8 »мм (рисунок 6).

N=f{p,dma,g^H,h)> Л'кр= 0,28#

<^отв < ^отв.тах > ^отв - 5

Я<Якрит:й<Акрит;^ < Л-крит Л^кр'"

w(p.max — I -

®ф^юфтах

— = 0- -

ф' ' dz

l = f(H,dOTB) I = L-d L = /(We,Fr); 0 < Fr ■ We < 600,

(19)

0; (22)

(23)

/>(0,7...1,0)AOTJ1

(24)

ю<Ь=/

^ф.тт

яд

/;Ф-р s-h

й>А>Ш

н

Q* =о„

,-1,9

'ф тт

а- v

АГ = АГф+АГлс Nu = /(Ре), Ре <85

Рел<;85

(25)

V = const

Т

о к

т

= const = const

(26)

\0,5

^оф Рм 8-(21)

Рисунок 6 - Опытная отливка «Крышка», макрошлиф боковой стенки

Результаты показали наличие мелких пор в верхней части стенки отливки в зоне наложенного технологического напуска на механическую обработку. Поэтому для отливок из алюминиевых сплавов необходимо применять прибыли либо напуски на механическую обработку, чтобы обеспечить отсутствие газовой пористости в теле отливки.

При получении отливок из алюминиевых сплавов часто встречаются отливки, которые удобно заливать боковой литниковой системой или сверху, чтобы обеспечить направленное затвердевание и удобное расположение прибылей. Однако методик расчета литниковых систем для таких отливок не существует. Верхняя и боковая литниковые системы наиболее просты по выполнению, легко удаляются при обрубке и требуют наименьшего по сравнению с другими типами литниковых систем расхода металла за счёт уменьшения размеров прибылей. Основной недостаток этого типа систем -каскадный сброс расплава в форму, приводящий к его интенсивному перемешиванию и окислению, захвату воздуха, образованию пены и её замешиванию внутрь отливки. Поэтому для того чтобы обеспечить отсутствие возникновения в теле отливки газовых дефектов, необходимо делать проверку

по силе удара струи металла о поверхность ванны расплава. При верхнем подводе расплава струя падает под углом к поверхности формы, а затем к зеркалу расплава, т. е. начальная скорость а о направлена не вертикально и течение расплава будет криволинейным. Рассмотрим падение расплава с высоты h, со скоростью о),), как показано на рисунке 7.

Сопротивлением воздуха пренебрегаем. Угол падения струи расплава определяется по формуле:

Согласно результатам экспериментов, представленным в главе 3, критическое значение силы удара струи падающей под углом 90° к поверхности расплава составляет 0,28 Н. Следовательно, зная критическое значение силы удара струи и угол падения, можно определить из формулы (28) максимальный приведенный размер питателя, обеспечивающий отсутствие в отливке газовых дефектов:

2-й

Формула (1) при таком течении расплава примет вид:

tga = -L.Jh/H,

(27)

jV = 8 ■ р • л ■ ■ g • ¡а • aJ Я •(ц2 ■ H + h) ■ sinat

(28)

Я "--'-с

Рисунок 7 - Схема падения струи расплава под углом к поверхности

С учетом экспериментальных и теоретических результатов исследования истечения расплава в верхней литниковой системе разработана методика расчета исполняемых размеров верхней литниковой системы для алюминиевых сплавов.

В приложениях представлены примеры расчета дождевой и верхней литниковых систем, материалы по производственному опробованию и внедрению в учебный процесс результатов работы, программа расчета и свидетельство о регистрации программы на ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изучен процесс истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы. Предложен критерий, описывающий характер течения алюминиевого расплава, который накладывает ограничения на параметры заливки и размеры дождевой литниковой системы.

2. Экспериментально определено и теоретически обосновано существование критического значения силы удара струи о ванну алюминиевого расплава в полости литейной формы, которое устанавливает максимально допустимое значение скорости заполнения полоста литейной формы алюминиевыми сплавами при дождевом и верхнем подводе, что позволяет рассчитать рациональные исполняемые размеры дождевой и верхней литниковых систем.

3. Экспериментально определено и теоретически обосновано существование минимально допустимой скорости заполнения полости литейной формы алюминиевым расплавом, определена зависимость, позволяющая рассчитать минимально допустимую скорость заполнения полости литейной формы алюминиевыми сплавами при дождевом подводе расплава, что позволит на стадии проектирования литниковой системы исключить возможность появления в отливке дефектов «спай», «неслитина».

4. Разработана методика расчета охлаждения струи при истечении алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы, что позволяет определить потери температуры расплава при падении струи в полости литейной формы, определить температуру заливки алюминиевого расплава и сократить энергозатраты.

5. Сформулирована обобщенная математическая модель истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы, позволяющая рассчитать рациональные исполняемые размеры и параметры литья, обеспечивающие получение годных отливок из алюминиевых сплавов.

6. На базе математической модели впервые разработана и опробована методика расчета дождевой литниковой системы для отливок из алюминиевых сплавов, позволяющая определить рациональные исполняемые размеры литниковой системы и параметры заливки, и обеспечивающая снижение вероятности возникновения дефектов в отливках на стадии заполнения и позволяющая разработать исходный вариант технологического процесса литья.

7. Впервые разработана методика расчета рациональных исполняемых размеров верхней литниковой системы для литья алюминиевых сплавов, которая предполагает проверку на возникновение механизма «вторичного шлакообразования», т.е. обеспечивается отсутствие в отливке брака «газовая пористость».

8. Предложен комплексный подход к решению технологической задачи получения годной отливки из алюминиевых сплавов, включающий в себя расчет исполняемых размеров дождевой или верхней литниковых систем по разработанным методикам и расчет процесса формирования отливки на стадии заполнения и затвердевания с применением рассчитанных размеров литниковой системы. Это позволит значительно сократить время на технологическую подготовку производства.

9. Разработана программа расчета на ЭВМ исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Артамонова, Ю. С. Выбор оптимальных скоростей заполнения полости литейной формы при использовании дождевой литниковой системы / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов, А. А. Акутин, Р. В. Барабанов // Заготовительные производства в машиностроении. - Москва, 2011. - № 6, С. 3-5.

2. Артамонова, Ю. С. Выбор температуры заливки алюминиевого сплава при заполнении полости формы дождевой литниковой системой / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов, А. А. Акутин // Вестник «РГАТУ имени П. А. Соловьева». - Рыбинск, 2011. - № 2 (20), С. 124 - 127.

3. Артамонова, Ю. С. Возможность использования дождевой литниковой системы для заливки форм сплавами на основе алюминия / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов, А. А. Акутин, Р. В. Барабанов // Заготовительные производства в машиностроении. - Москва, 2012. - № 2, С. 3-5.

4. Барабанов, Р. В. Определение закономерностей изменения коэффициента расхода литниковой системы от напора / Р. В. Барабанов, В. А. Изотов, Ю. С. Артамонова // Вестник «РГАТУ имени П. А. Соловьева». -Рыбинск, 2012. - № 1 (22), С. 108 - 114.

5. Артамонова, Ю. С. Расчет верхней литниковой системы для получения отливок из алюминиевых сплавов / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов, А. А. Акутин // Заготовительные производства в машиностроении. - Москва, 2012,- №8,С. 8-11.

6. Артамонова Ю. С. Применение верхней литниковой системы при литье легких сплавов / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов, А. А. Акутин // Литейное производство. - Москва, 2012. - № 7, С. 35 - 36.

В других изданиях:

7. Изотов В. А. Практическое опробование методики расчета дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов / В. А. Изотов, А. А. Акутин,

Ю. С. Федулова, // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Нижний Новгород, 2012. - № 4 (97) С 242 -247.

Материалы конференций:

8. Артамонова, Ю. С. Разработка методики расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов // XXXVI Гагаринские чтения: научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. - М.: МАТИ, 2010.-Т.1, С. 246-247.

9. Артамонова, Ю. С. Применение верхней литниковой системы для литья легких сплавов / Ю. С. Артамонова, В. А. Изотов, А. А. Акутин // IV Научно-техническая конференция «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства»: сб.научн.тр. - Самара, 2012 г., С. 322 - 324.

10. Артамонова, Ю. С. Разработка методики расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для легких сплавов / Ю.С.Артамонова, В. А. Изотов // XXXVIII Гагаринские чтения: научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. - М.: МАТИ, 2012,- Т.1, С. 228-230.

11. Федулова Ю. С. Оценка возможности применения дождевой литниковой системы для литья магниевых сплавов / Ю. С. Федулова,

B. А. Изотов // XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. - М.: МАТИ, 2013. - Т.1,

C. 265-267.

Патенты:

12. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013617804. Программа расчета исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов / Федулова Ю. С., Изотов В. А., Акутин А. А.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «РГАТУ имени П. А. Соловьева». - заявл. 08.07.2013; зарегистрир. 23.08.2013; опубл. Бюл.№3.-20.09.2013.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 11.11.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,06. Тираж 90. Заказ 257.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» (ФГБОУ ВПО «РГАТУ им. П. А. Соловьева»)

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ИСПОЛНЯЕМЫХ РАЗМЕРОВ ДОЖДЕВОЙ И ВЕРХНЕЙ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201451652

Федулова Юлия Сергеевна

Научный руководитель д. т. н. В. А. Изотов

Рыбинск-2013

/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА (АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ)....................................................... 10

1.1 Классификация литниковых систем для получения отливок из алюминиевых сплавов.............................................. 10

1.2 Закономерности процесса заполнения полостей литейных форм тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов при гравитационной заливке.......................................................... 17

1.3 Образование дефектов в отливке на стадии заполнения полости формы

и их критериальная оценка.......................................... 21

1.4 Методы расчета исполняемых размеров литниковых систем, основанные на заполняемости полости литейной формы расплавом....... 24

1.5 Проблемы оптимизации процесса заполнения полостей форм расплавом........................................................ 33

1.6 Закономерности процесса заполнения полости литейной формы расплавом при подводе сверху...................................... 37

1.7 Существующие методики расчета дождевых литниковых систем...... 45

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ............ 55

2.1 Используемые материалы...................................... 55

2.2 Физическое моделирование процесса истечения расплава из отверстий дождевой литниковой системы.......................... 56

2.3 Метод измерения температур..................................... 60

2.4 Методика радиационного контроля................................ 61

2.5 Методика определения наличия оксидных включений в отливках...... 61

2.6 Математическая обработка результатов экспериментов............... 63

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СИЛЫ УДАРА СТРУИ АЛЮМИНИЕВОГО РАСПЛАВА НА ВЕРОЯТНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТА «ГАЗОВАЯ

ПОРИСТОСТЬ» В ОТЛИВКЕ....................................... 65

3.1 Гидромоделирование процесса течения расплава в дождевой

литниковой системе............................................... 65

3.2 Изучение влияния характера течения струи расплава и параметров заливки на качество алюминиевых отливок, полученных с применением дождевой литниковой системы..........................-............ 89

3.3 Определение силы удара падающей струи алюминиевого расплава. ... 101

3.4 Оценка возможности применения дождевого подвода расплава с точки

зрения окисляемости алюминиевых сплавов........................... 113

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3............................................. 123

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМОЙ СКОРОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ АЛЮМИНИЕВЫМИ СПЛАВАМИ ПРИ ДОЖДЕВОМ ПОДВОДЕ

МЕТАЛЛА....................................................... 124

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4............................................. 142

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАЛИВКИ АЛЮМИНИЕВОГО РАСПЛАВА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ОТЛИВОК С

ПРИМЕНЕНИЕМ ДОЖДЕВОЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ............ 143

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5............................................. 157

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ИСПОЛНЯЕМЫХ РАЗМЕРОВ ДОЖДЕВЫХ И ВЕРХНИХ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ............................... 158

6.1 Математическая модель процесса истечения алюминиевых сплавов в дождевой литниковой системе....................................... 158

6.2 Методика расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для получения отливок из алюминиевых сплавов............... 162

6.3 Оценка адекватности разработанной методики расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для отливок из алюминиевых сплавов.......................................................... 167

6.4 Разработка методики расчета исполняемых размеров верхней

литниковой системы для алюминиевых сплавов........................ 169

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6............................................. 183

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................184

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................186

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчет дождевой литниковой системы для отливки

«Крышка»..............................................................................................................205

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Расчет верхней литниковой системы для отливки

«Крышка коробки реверса»..................................................................................211

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Программа расчета исполняемых размеров дождевой и

верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов....................................220

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акты проведения промышленных опробований и использования в учебном процессе результатов диссертационной работы . . 225

ВВЕДЕНИЕ

Получение отливок из алюминиевых сплавов является очень сложной задачей, так как эти сплавы имеют высокое сродство к кислороду, малую удельную массу и высокую теплопроводность, то есть эти сплавы относятся к сплавам группы А согласно классификации д.т.н. Чистякова В. В. [1], имеющим склонность к образованию браков типа «спай», «газовая пористость», «рыхлота» (в зоне образующегося «проточного течения»). Для получения алюминиевых отливок, в основном, используются литниковые системы типа: сифонной, ярусной, вертикально-щелевой, расчет которых производится по методикам, разработанным к.т.н. Галдиным Н. М. [2]. Однако, полученные результаты не всегда позволяют получать годные корпусные тонкостенные отливки. Это связано с тем, что часть отливки становится литниковой системой для более удаленных частей, что приводит к различным усадочным дефектам. Поэтому совершенствование подачи металла в полость формы без использования ее в роли литниковой системы является очень актуальной задачей и позволит уменьшить затраты на подготовку производства и обеспечить возможность получения годных корпусных протяженных отливок из алюминиевых сплавов. Существующие системы математического моделирования не позволяют достаточно точно и быстро выбрать необходимую литниково-питающую систему, особенно для тонкостенных алюминиевых отливок, так как не обеспечивают адекватное отображение происходящих в полости литейной формы процессов, что связано с особенностями алюминиевых сплавов (массообмен, проточно-поперечное течение).

Эти условия может обеспечить верхний подвод расплава, дождевая литниковая система, которая нашла применение при получении отливок из чугуна. В тоже время в работах к.т.н. Галдина Н. М. [2] не рекомендуется применять верхний подвод металла для литья алюминиевых сплавов, так как алюминиевые сплавы имеют большое сродство к кислороду и это может привести к повышенной окисляемости расплава. Анализ литературных данных показывает, что надежных методик расчета дождевых литниковых систем для отливок из

алюминиевых сплавов не существует, тем не менее, такие литниковые системы нашли широкое распространение при литье чугуна благодаря ряду преимуществ. Во-первых, подобные литниковые системы обеспечивают направленное заполнение полости литейной формы и затвердевание отливок, что позволяет получать годные отливки, во-вторых, они обеспечивают достаточно высокий выход годного литья. Однако, как показали теоретические исследования, методик проектирования дождевых и верхних литниковых систем для алюминиевых сплавов не существует, не существует и данных о поведении расплава в полости формы при таком подводе, в связи с этим возможность применения дождевых и верхних литниковых систем ограничена. Поэтому задача по разработке методик расчета и проектирования дождевой и верхней литниковых систем для получения отливок из алюминиевых сплавов, позволяющих рассчитать рациональные исполняемые размеры, параметры литья и условия заполнения полости литейной формы расплавом, обеспечивающие получение алюминиевых отливок без образования дефектов на стадии заполнения, является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы: Развитие теории и практики изготовления отливок из алюминиевых сплавов на основе изучения закономерностей течения расплава в дождевых и верхних литниковых системах.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных задач:

1. Теоретическое и экспериментальное изучение гидродинамических особенностей истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы, исследование процесса взаимодействия падающей струи с ванной расплава и определение критического значения силы удара струи, обеспечивающих получение отливок из алюминиевых сплавов без возникновения дефекта «газовая пористость», в условиях влияния на эти процессы стенок литейной формы.

2. Определение функциональной зависимости длины «компактной» части струи алюминиевого расплава от величин напора и диаметра «дождевого» питателя.

3. Определение минимально допустимой скорости заполнения полости литейной формы алюминиевым расплавом при дождевом подводе, обеспечивающей отсутствие в отливке дефектов «спай», «неслитина».

4. Теоретическая и экспериментальная оценка процесса теплообмена при истечении алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы.

5. Разработка математической модели процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе и на ее основе разработка методик проектирования и расчета основных параметров и исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для получения отливок из алюминиевых сплавов.

Научная новизна работы:

1. Изучен процесс истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы. Впервые предложен критерий, описывающий характер течения алюминиевого расплава, который накладывает ограничения на параметры заливки и размеры дождевой литниковой системы.

2. Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование максимально и минимально допустимых скоростей заполнения полости литейной формы алюминиевыми расплавами по критическому значению силы удара струи о ванну и по охлаждению фронта потока расплава в условиях дождевого и верхнего подвода.

3. Впервые предложена обобщенная математическая модель процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе, позволяющая рассчитать рациональные исполняемые размеры и параметры литья, обеспечивающие получение отливок из алюминиевых сплавов без образования дефектов на стадии заполнения.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработаны методики проектирования и расчета исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов при гравитационном литье с учетом критериев качества на стадии заполнения, наложенных

ограничений на заполняемость, и позволяющие разработать исходный вариант технологического процесса литья.

2. Разработан пакет программ расчета на ЭВМ исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов.

3. Предложен комплексный подход к решению проблемы повышения точности и эффективности технологической подготовки процессов литья алюминиевых сплавов, заключающийся в совместном использовании методик проектирования и расчета исполняемых размеров дождевых и верхних литниковых систем и систем математического моделирования литейных процессов.

4. Разработанные методики расчета дождевой и верхней литниковых систем прошли промышленные испытания в ЗАО «Завод гидромеханизации» и в ООО «Литейно-механический завод», г. Рыбинск.

5. Результаты работы в виде математической модели, методик проектирования и расчета исполняемых размеров дождевых и верхних литниковых систем и программы расчета на ЭВМ исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье и сварка» РГАТУ имени П. А. Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также курсовом и дипломном проектировании.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом НИР «Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева».

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием теоретических положений литейной гидравлики, теорий подобия и теории размерностей; высокой воспроизводимостью результатов при физическом моделировании и экспериментальных исследованиях; корректным применением методов математической статистики для обработки экспериментальных данных, высокой значимостью и адекватностью полученных математических моделей и корреляционных связей и подтверждается хорошим совпадением результатов экспериментальных и теоретических исследований; положительным результатом при опробовании разработанных методик в производственных условиях.

Научная новизна работы подтверждается 12 публикациями в ведущих центральных научно-технических журналах и материалах международных конференций, в том числе 6 статьями в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся научные положения, составляющие основу научной работы:

1. Критическое значение силы удара струи алюминиевого расплава, накладывающее ограничения на размеры дождевой и верхней литниковых систем с целью обеспечения отсутствия в отливке газовых дефектов на стадии заполнения.

2. Минимально допустимая скорость заполнения полости литейной формы при дождевом подводе алюминиевого расплава, обеспечивающая отсутствие в отливке дефектов «спай», «неслитина» на стадии заполнения, и накладывающая ограничения на исполняемые размеры дождевых литниковых систем.

3. Алгоритм расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XXXVI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 6-10 апреля 2010 г.), XXXVIII Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 10-14 апреля 2012 г.), IV Научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (г. Самара, 27 - 30 марта 2012 г.), XXXIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 9-13 апреля 2013 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений на 23 страницах. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 101 рисунок, 201 наименование российских и зарубежных библиографических источников.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Классификация литниковых систем, применяемых для изготовления отливок из алюминиевых сплавов

Литниковая система представляет собой систему элементов и каналов, выполненных в литейной форме, и обеспечивающих подвод расплава в полость литейной формы, ее заполнение и питание отливки при затвердевании [2].

Литниковые системы должны отвечать следующим основным требованиям: обеспечение заполнения полости литейной формы расплавом, предотвращение инжекции газов в металл и задержание неметаллических частиц. Выполнение этих требований литниковой системой обеспечивает получение отливок без литейных дефектов, однако, из-за большого разнообразия геометрии литых заготовок и предъявляемых к ним требований, возникают сложности при выборе, конструировании и расчете исполняемых размеров литниковой системы [2].

Для изготовления отливок из алюминиевых сплавов на производстве нашли применение следующие типы литниковых систем (рисунок 1.1) [2], каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:

1) боковая литниковая система. При таком подводе расплава происходит заполнение нижней части отливки сверху, а верхней части - снизу. Преимуществом этой системы является ее технологичность. К недостаткам, прежде всего, относится низкая скорость заливки, но на начальной стадии заполнения каскадный сброс расплава в форму приводит к его окислению, захвату воздуха, образованию пены и замешиванию ее в отливку [2];

2) нижняя литниковая система. Преимущества: спокойное заполнение полости литейной формы расплавом, отсутствие вспенивания, разбрызгивания и окисление расплава. Применение нижней литниковой системы способствует хорошему задержанию неметаллических включений и удовлетворительной заполняемости отливок. Недостатки: из-за перегрева нижних слоев формы не обеспечивается тепловой режим охлаждающейся отливки, то есть направленная кристаллизация. Поэтому появляется вероятность образования в отливке

усадочных раковин и рыхлот. Плохо обеспечивается заполняемость тонкостенных высоких отливок с развитой поверхностью, поэтому применение нижней литниковой системы ограничивается номенклатурой отливок и условиями литья;

.1 1 18

БОКОВАЯ

5 7 6 г-«-1

ВЕРТИКАЛЬНО-ЩЕЛЕВАЯ

НИЖНЯЯ КОМБИНИРОВАННАЯ

ЯРУСНАЯ

1-чаша

2-стояк

3-литниковый хо�