автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета на ЭВМ последовательности затвердевания и питания отливок из алюминиевых сплавов в кокилях

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К. Э. Циолковского

РГ6 од

На правах рукописи

'ЦОЬ

ЧЕРНЫЙ Вадш Анатольевич

УДК 621.74.043:681.3

РАЗРАБОТКА ШОЩЩ РАСЧЕТА НА ЭВМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И ПИТАНИЯ ОТЛИВОК ИЗ АЛШИНИЕЕЫХ СПЛАВОВ В КОКИЛЯХ

Специальность 05.16.04 - "Литейное производство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мэсква 1994

Работа выполнена на кафедре "Технология литейного производства" Мэсковского государственного авиационного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шуетруев А. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ходоровский Г. Л.

кандидат технических наук, доцент Семёнов ЕИ.

Ведущее предприятие: Балашихияский литейно-механический завод

Защита состоится "2.4 " 1994 года на заседа-

нии специализированного совета К 063.56.05 при Московском государственном авиационном технологическом университете им. К. Э. Циолковского по адресу: 10376?, Москва, ул. Петровка, • д. 27.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Телефон для справок 209-32-76.

Автореферат разослан » С1тро,ля 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т.н.

Е.В.Ннкшит

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

/

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТУ. Литье г> кокиль является прогрессивным, широко распространенным способом изготовления литых изделий из алюминиевых сплавов. В условиях роста конкуренции в промышленности традиционные неоетоиатиакрованние методы проектирования технологической подготовки производства новой но-иенклатури изделий (а частности кокильных отливок) не способны удовлетворить реёко возросташие потребности их потенциальных потребителей. Одним жз способов решения данной проблемы, является применение систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) литейного производство.

В настоящее время развиваются несколько направлений автоматизированного проектировании технологически процессов производства отливок. Один из наиболее универсальных методов проектирования на ЭВМ отливок основан на Фиеико-штеыатичеекоы моделирований процессов их формирования. Такое моделирование щоиьвсдится в основном с использованием' численных, конечно-разностных методов. Этот метод овтоттиэировшюого проектн-рования дает Соль со Л объЗ.ч информации о кинетике затвердевания я качестве отлив)®, но затрудняет прямое решение па ЭВМ оптимизационных технологических задач. Эффективное решение опгкми-зационных технологических задач воакежо на основе поузлового метода расчета отливок. . На основе этого метода в МАТ И ш. К. 3. Циолковского разработана методология, ориентированная на коиль верное проектирование и оптимизацию технологических процессов основных видов литья. Настоящая работа является частью исследований по создажта» этой методологии и направлена на решение задачи поузлового раочета затвердевания л питания отливок из алюминиевых сплавов в кокилях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Сокращение сроков и затрат на технологическую подготовку проиэводетва при кокильном литье алюминиевых сплавов и уменьшение металлоемкости отливок путем .расчетов на ЭВН оптимальных технологических средств управления затвердеванием отливки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ИШЩЕ НАУЧНУЮ ШВЙЗНУ И ШНССИШЕ НА ЭАЦИТУ:

1. Математические «одели процессов теплообмене шдду отливкой к кокилем и между элементами фасонной отливки из сплава с узким или широким интервалом кристаллизации.

2. Методика расчета эффективного коэффициента аккумуляции теплоты кокиля, учитывавшего наряду с его аккумулирующей способностью термическое сопротивление на границе отливки с кокилем (вааор, слой краски) и теплоотдачу с его наружной поверхности.

3. Мзтодика расчета последовательности затвердевания отливок с учетом начального распределения температуры в расплаве после заполнения кокиля, стоков теплоты из массивных в тонкостенные элементы фасонной отливки, отвода теплоты от массива во внутренний стержзнь, в кокиль и от кокиля' в окружающую среду. Подученные в результате расчетного анализа выводы о влиянии числа и размеров элементов, сопряжённых с массивом , внешнего угла кокиля и интервала кристаллизации сплава ка время аатвердеьашя массива уада фасонной отливки.

4. Методика расчета на ЭВМ открытых и закрытых прибылей и •режимов литья в кокиль алюминиевых сплавов при'условии устранения в отливках усадочных дефектов и сокращения расхода металла

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

Практическую ценность работы составляют прикладные прог-

раммы расчетов заполнения кокиля ладким металлом, вре«данк затвердевания массива трёхмерного узла и других элементов фасон-вой отливки,- оптимальных размеров прибылей. 'Программы построены так, что могут бьггь использовали как программные модули в САПР ТП кокильного литья.

Результаты диссертационной работы прошли промьшеннов оп-росювакие, используггся в производстве и в учебной процессе. Ожидаемый экономический эффект от внедрения прикладных программ на Балзшаи^ском дитейно-механическом оаводе аа сч&т сократи га расхода металла на одну отливку,составил 6204 руб. (по ценам алюминия на март 1993 г.).

/ИРОБАДИЯ РАКУТЫ.

Оснстниэ подменю? диссертации долоданы я сбсудденн па Зональной научно-технической конференции "разработка технологических процессов литья, проектироваяиэ оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ", Рыбинск, 1690 г.; V 1£>д-дународной научно-техничес>а>й конференции "Ериста;шшзация и компьггчрнь» модели", й*йэск, 1902 г. и Российских научно-технических конфэренциях "№?выэ материалы и технологии кшгаост-роения", ЬЬсква, 1092 и 1В93 г. г.

ПУБЛШШИ. -Па материалам диссертации опубликовало б статей.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссерташюяяая работа состоят га введения, пяти глав, обпих выводов, списка используемой литературы и прилоаения. ОбацЯ объем диссертации составляет 168 страниц, включая 41 рисунок, 10 таблиц я список литературы из 122 наименований, приложений на 45 странна

СОДЕРЕАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы и достоинства нетодики по/елового расчёта на ЭВМ последовательности затвердевания и питания отливок из алюминиевых сплавов а кокилях. Сформулированы цель, научная задача, основные научные результата и положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе привед&н обзор литературы по основным методам расчёта отливок в кокилях. Рассмотрены следушие методы; аналитические к эмпирические методы расчёта затвердевания отливок, технологические расчёты на основе типовых проектных решений, статистическое моделирование, моделирование теплообмена отливки и кокиля, питания и кристаллизации отливки на основе численных конечно-разностньк методов.

Отмечено, что при проектировании технологических процессов литья в кокиль применяются разные подходы и методы, в разработку которых большой вклад внесён А. Я Вейником, Г. Ф. Баландиным, Е П. Дубининым , А. М. Петриченко, Г. А. Анисовичем, а е йаэнко и др.

Шкавано, что решение технологических задач наиболее эффективна на базе математического моделирования литейных процессов на ЭВМ. Математические, модели в основном реализуют аналитическими и численными методами.

Оптимизация технологических решений аффективно на основе поузлоаого метода расчёта, в котором рассчитывает время затвердевания в нескольких, специально выбранных точках отливки, соответствующих термическим центрам её частей (узлов). Результаты поувлового расчёта позволяют судить о последовательности затвердевания отливки и рассчитывать соответствующие техноло-

гические средства воздействия на ез качественное формирование.

В ЫАТИ им. К. Э. Циолковского под руководством А. А. Неустру-вва равработай поувдовой метод ресчбта оатзердевання и питания фесонных отливок в лесчанных формах и в фориах по выплавляемый моделям. В этих расчётах учитываются перетоки теплоты из массивных частей в тонкие стенки н другие особенности процессов теплообмена в отливка и форме. Расчётные методики разрабатываются на основе точных аналитических решений задач теплообмена. &го йозволяет с высокой степеньо достоверности рассчитывать пара^тры технологических процессов, обеспечивающие треОуеш? условия оатвердевашя отливки. В результате гюз-1юлю создавать зффеотнзниэ прографи для персональных ЭШ и рассчитывать фасонные отливки беа огршпгчзнкй по слог,3!ости гас конфигурации.

Особенность процесса затвердэьшш фасонных отдизок га аложнвдвьос сплавов в кокнлях состоит а той, ч?о на озслшщениэ отливки большое влияние .оказывает термическое сопротивление вазора (слоя краски на кокиле, газовый вазор) на граница раздела отливки к кокиля, а тшдаэ гшсэкая теллоаккумуяирувщая способность кокиля и отвод теплоты от кокиля о скруяшзув среду. С уйток згсга несбкодтяз рассчитывать перетоки теплоты теплопроводность» шгяу массивнши и тонкостенный;! участкам отливки, затвердевающим! в раз псе гремя, затвердевание отдгакя в оонал влияния вносних угх.ов форыы и другие процессы. Для разработки такой штодики расчёта гятвердэвашш фасошгых отливок в кокилях требуется проведение специальных теоретических и зксперншнталыпя исследования.

На основа анализа литературных данных поставлены следующие задачи исследований:

1. Разработка математических шдедей, оиисываших про-

цессы -теплооСмена между отливкой и кокилем и отвода теплоты из массива в сопряжённый с ним элемент отливки, аатвердевапцэй в кокиле.

2. Аналитическое решение задач о теплообмене в системе отливка - окрашенный кокиль - окружахга&я среда и отводе теплоты из массива узла в его тонкие элементы.

3. Разработка методики расчёта последовательности затвердевании фасонной отливки в кокиле.

4. Экспериментальная проверка адекватности подученных аналитических решений и расчётной методики.

Б. Разработка алгоритмов и программ расчёта на ГОШ времени затвердевания узлов фасонных отливок и технологических средств управления последовательностью затвердевания и питания отлквок из алюминиевых сплавов в кокилях. '

6. Расчётный анализ влияьия технологических параметров и размерных характеристик узлов отливок на время их затвердевания.

б. Производственное опробование разработанных прикладных программ при решении технологических вадач литья алюминиевых сплавов в кокиль. г

Бо второй главе получены аналитические решения математических моделей процессов теплообмена при затвердевании отливок в кокилях.

Разработаны математические модели процессов отвода теплоты из отливки в стенку кокиля, из массива узла в сопряженный с ним элемент отливки и внешний угол кокиля. Указанные процессы теплоотвода определены на основе закона теплопроводности 4урье и математических моделей температурных полей элементов отливки

и кокиля. . - .

Для определения отвода теплоты из отливки в стенку кокиля

её температурное поле описано дифференциальным уравнением теплопроводности при ааданной начальной температуре кокиля и граничных условиях третьего рода на внутренней и наружной поверхностях. При этом учтены термическое сопротивление зазора иежду стлипкой к кокилем, толякна стенки и физические свойства материала КОКИЛЯ.

Отвод теплоты из массива в элемент, сопряяйнныа с массивом, определен на основе анализа температурного пом элемента. Оно описано дифференциальным уравнением теплопроводности о учётом отвода теплота от Соковой поперхноети элемента а кокиль. Приняты следуияие краевые условия; яа .границе раздела исссика и олекента - граничное условие 1-го рода; яа торце эхоиеята - гранитю$ условие 3-го рода, а для элемента полуог-раничешюй длины в тепловом отноиенин - граштаюе условие 2-го рода; начальное условие определяется температуроП расплава, ваполнивиего элемент.

. , Диф^ре1щкаль;ше уравнения сормтетко с краевши условиями резены операционный методом Лапласа. В результате получены акзлггп'ческие формулы для расчета удельных тепловых пототов в стенку кокиля, в ограниченный и подуограничекнкл элементы, сопряганнуе с шесивом узла отливки.

При расчйте отвода теплоты п участок гокиля, каходягзйса в зоне угла, образованного кассивой и элементом, учтено chüks-ш:э интенсивности теплообмена в этой зоне. Это снюкешяэ теплообмена учитывается пара\»тром Oy , который рассчэтан на основе правила перешдкзнкя теипературшгх критериев.

Нз основе сопоставления полученного аналитического psce-ния задачи об отводе теплоты из о?лнакц в стенку кокиля и известного решения задачи теплопроводности для полуограннчэнного тела пря граничном условии 1-го рода разработана методика

раочбта эффективного даэффкциенга аккумуляции теплоты кокиля Ьзф. йгаическая сущность Ь э<р состоит в том, что с его помощью производится ваш на кокиля эквивалентной в тепловом отношении полуограниченной формой:

■ а и

дх

_ Рэ,

где Д2 - козффвдиект тошшроводпости кокиля;

п~1о), ' (1)

дЬф

дх

х=о

градиент температуры на поверхности контакта кокиля с отливкой;

температура на поверхности отливки; ¿о - начальная температура кокиля; Т - время.

На основании (1) и аналитического решения вадачи о температурном поле кокиля:

где Ьг - коэффщиент аккумуляции теплоты шжиля; И\=~ 6 -

лз

критерий относительной интенсивности тешкюбмана яа внутрен-

' ' / ' ' ' '

вей поверхности кокиля; А= г——г--коэффициент теплопере-

. 1 Окр | о ¿аз Лкр Агаз

Дачи через вазор па границе раздела отливки и кокши;6«р иЛ<р-толвдна слоя н коэффициент теплопроводности краски на кокиле; Ьзаэ и Л^у - средние ва время затвердевания массива толщдаа и

коэффициент теплопроводности газового оааора; 6 - толщина стенки Л

кокиля; ôi = —6 - критерий Еио для внешней поверхности кокиля; â - коэф&щшгг теплоотдачи от внешней поверхности коют в

г- 0.2

.окрутаицую сроду; гО-^'Т - критерий Сурьо; О.а- коаффгалтент

теыпсратуропровс'дностн кокиля; 0= -у-—; ¿со - теыпаратура

i0 ~tcp

окружтдгй среды; -f - функция перечисленных параметров, учиты-ыш®я нестационарный тепловой рекм кокиля.

В результате аппроксимации функции f в пределах изш-ноккя oô параметров для условий .татьл атшкиевых сплавов в чутушшз и стальяыэ koîcjî'î. получено:

г.„ гк(,. r,vne-< + п

т- 'т ' к he/ / g Ч iWKMïfrïï .

С исподьоовалиеи Ьэф решены задачи об определении стоков теплоты кэ массива узга отливки з кашь и соряайшшэ с цасси-ьсы здзкэлтм тлуограянчешой я ограниченной дхкга . Пра испольвовшш полученных формул требуется меныдий объём bîj-тюлзтя, чем при использовании,исходи« аналитических фзриуд ( без bxp ). Главное кх достоинство состоит п расзиронии-круга ретаэшх задач. Так, как онн позволяй рассчитывать стоки топ-лоты из массивов узлов отливок алшишюаых сплавов как с узким, так и широким интервалами кристаллизации. 3 расчетах сто-

ка теплоты из массива в - элемент учтено влияние угла между массивом и элементом и отвод теплоты от торца элемента в кокиль (для элемента ограниченной длины).

На основе теории теплопроводности получека формула для определения отвода теплоты во внутренний стержень, оформляющий полость в массиве узла отливки. Разработан способ учёта термического сопротивления газового зазора между отливкой и кокилем, образующегося вследствие усадки отливки.

Время затвердевания массива узла отливки (Tj^ ) определяется на основе -уравнения его теплового баланса, составленного по принципу суперпозиции. Уравнение содержит выделение теплоты массивом при затвердевании Q^i отвод теплоты из массива в кокиль 0 к с учётом теплового влияния его внешних углов Qyj.j , в элементы увлаб^ ¿ , сопряжённые с массивом, во внутренний стержень Qct (для массива с полостью):,

= г и)

и Í--Í

В уравнение (4) иоРут входить некоторые другие статьи баланса, отражающие специфику услозий затвердевания массива узла отливки, например, подвод теплоты в массив ira соседнего увла. (прибыли). " .

Так как 6эф кокиля является функцией T¡M , его величина определяется решением системы уравнений (2) и (4). Влияние перепада температуры, образующегося в затвердевающем массиве узла lía ТЗМ , учитывается с помощью коэффициента ^ , рассчитываемого на основе теории теплопроводности и равного отношению темпов охлаждения массива при равномерном и неравномерном распределении в нём температуры. Коэффициент Ц/ является функцией критерия В1 и зависит от конфигурации массива При.

3i < 0,1 для массивов разных конфигураций 1. С учетом

' - Xè»- , (б)

где Тзн ' время затвердевания массива, рассчитанное без учёта образовавшегося в нём перепада температуры.

В третьей главе приведены результаты экспериментальной проверки адекватности разработанных методик затвердевания отливок в кокилях.

Адекватность расчётных формул, представленных s главе 2, проверена сравнением расчётных и экспериментальных значений времепи затвердевания массивов узлов отливок в кокилях. С этой цельп, в лабораторных условиях проведены эксперименты по определению влияния отвода теплоты из массива отливки в кокиль, ребра отливки, сопряжённые с массивом, . и внутренний стеряень на время затвердевания массива Чтобы обеспечить надёжность проверки, математической модели затвердевания отливок из алши-нневых сплавов в кокилях, опыты выполнены в широком диапозоне геометрических-параметров узлов отливки . Так, отношение приведённых pasкеров рдбер (Xj ) .экспериментальных отливок и их улссивов (Хм ) выбрано в пределах 0,21 « X;/XM-i 0,91; отношение толщгаы ребра (D; ) к его длине 0,05 s< Dt-/Lt- 4 1; число рёбер (Ю О < M <2; отношение приведённого размера ребра к толщине стенки кокиля (6 ) 0.125 i Х;/6 ч< 0,545.

Чтобы охватить возможные интервалы температур кристаллизации алюминиевых сплавов, эксперишнты. проведены с отливками m алхзшшкя AQ9 U сплава АЛ7. У чистого адюштния интервал температур кристаллизации равен нулю, а у сплав Ш - 118°С,т.е. один из наибольших интервалов кристаллизации алшшшевых сплавов.

Материал кокиля - сталь 20, толщина его стенок 6 -15 мы.

Начальная температура кокиля составлял^ 100, 200 и Э00°0. Кот. киль окрашивали ыеловой краской, сдедувдэго состава в X по массе: ыел -.16, ющкое стекло - 3, вод^ - 82. Толщина слоя краски составляла О,Б и 0,8 ым.

Время ватвердевания массивов опытных отливок определяли покривим, которь» ваписывалм с помощью хромель-алшелевых тершпар диаштроы 0,3 к« и саыопиаувдх потенциометров НСШ. .

Чтобы обеспечить надёжность и точность определения врсые-ни в^твердеьания массивов отлток, опиты повторяли Б - 7 раз для каждого тшюраэиера отливки. В результате статистической обработки установлено, что средняя погредиость определения времзда сатвердеващщ массива отливка, выраженная в долях его среднего арифметического значения составила: да отливок иг А99 ± 0,06 .и для отливок из сплава АЛ? i 0,07.

Для проверки штеиатичесюи ыодэлей разработаны программы расчёта на 3Sé вр^меии затвердевания массивов экспериментальных отливок. . Программа написаны на алгортиическоа яаюев Турбо-Паскаль версии 0.0. Росчйг выполнен на персонально« компь-" егере IB«1 PC АТ.

С учётом доверительных интервалов акеперииЬитальпк* ро-аультатов, сравнение эксперюкгнтадьиых к расчета значений позволило сделать вывод об удовлатЕорительной адекватности разработанных штодик расчета затвердевания узлов отливок в кокилях и возаэжюсти их применения для практических расчётов фасонных отливок из ажгыинкевих сплавоз с узким н шраким интервалом кристаллизации.

На основе анализа вкспериданталькьа и расчетных значений времени аатвердеваюи отливок в кокилях сделаны следующие выводы.

В расчётах еатверде&аняя массивов кокильных отливок необ-

ходимо учитывать образование гааового зазора вследствие усадки отливки. В практических расчётах достаточно учитывать срвдиш ва вреш затвердевания величину газового зазора.

фи наличии у отливки тонкостенных элементов (рёбер), сопрягйпных с массивом, в расчётах необходимо учитывать снижение интенсивности отвода теплоты в воке влияния угла шжду массивом и элементом. Учйт теплового влияшга угла необходим как при расчетах отвода теплоты из массива в стенку кокиля, так я сто!са теплоты в элемент, сопрпжйгашй с массивом.

В расчётах отвода теплоты из массива в короткий злеуэп? узла отливка (при < 10 ) пеобходюю учитывать отвод теп-доты от торца злеьйнта в кокиль.

В четвертой глава прэдставлат* алгоритмы расчёта ца ЭШ ваполяешм когаия изталлоы, последовательности еатвердевашш фасонной отливки и размеров пр1!были. •

. Разработан алгоритм расчйта заполнения кокиля высокой тонкостенпой отливки с псроиэшшы по высоте поперечным сечени-ен с поиадю часто применяемой вертикально-пилэвоА литтдазвой скстзша Отливка предварительно разбивается по высоте па Ы -участков в соответствии о ей конфигурацией. Каядый участок разбивается на N слоЭв. Число слоЗв N определяется, исходя из , допустимого кЗьгвнения скорости подъёма уровня расплава в пределах слоя. " : ■

Рассчитывается температура расплава, поступающего в щелевой питатель 1-го слоя J-гo участка; температура расплавам слоях рабочей полости формы для двух мест каждого слоя: в месте соединения с палевым питателем и в наиболее удалённом от пего песте. Рассчитывается средняя температура стенки кокиля на ,)-ом участке отливки в конце заливки расплава в кокиль. По-

лученные эначения распределения темле^туры в отливке и кокиле исподьауотся в качестве исходных данных в программе расчёта продолжительности затвердевания узлов и элементов отливки.

На основании математических моделей, представленных в главе 2, разработан алгоритм расчёта на ЭВМ продолжительности ьатьердегания трёхмерного узла отливки (см. рис. ), реализованный в программе CS.

Все разработанные программы ориентированы на ПЭВМ типа IBM PC AT к на работу в среде операционной системы MS DOS, написаны на алгоритмическом языке Турбо- Паскаль. Програлгиа CS разработана на основе принципа универсальности и с Помои?>&, программных средств может быть присоединена как модуль к любой прикладкой программ расчёта технологии литья в кокиль без каких-либо -дополнительных доработок и компиляции. Сбыен кяформа-. цией но яду прикладной программой и модулем CS осуществляется •посредством промежуточных файлов данных.

С помощью программы CS выполнен расчётный анализ влияния стока теплоты в еолряяйнные с массивом элемрнты на время его -'• затвердевания.

Проанализировано влияние на Т^, следующих факторов: чкс-' ла и пр/лзедён^ого размера сопрялёнкых элементов; гохщты слоя краски на кокиле элементов; интервала кристаллизации сплава )• В качестве элементов, сопряжённых с массивом,выбраны тонкие полуограниченные в тепловом огновении рёбра, расположенные по осям симметрии массива. Анализ ьыполнен для двух сплавов - алюминия А99 и сплава AJJ7.

Анализ результатов расчёта псжааал, что топкостенные элементы, сопряжённые с массивом, югут по разному влиять на Tj/ч в зависимости от соотношения времён затвердевания элемента и массива. Если элемент имеет малый приведённый размер и соот-

С Конец )

/ Вывод; Т3м/ • i .

Егох-схёма расчета времени затвердевания массиву трёхмерного узла отливка в кокиле

ветственяо затвердевает намного быстрее массива, то сток теплоты в элементы уменъвает Тзм значительно. Наоборот, при относительно болыюм приведённом размере, элемента и соответственно большом времени его вагвердевания увелич1&ет-ся. В промежуточных случаях наличие сопряжённых элементов может как уменьшать Тзм , так и увеличивать.

ЧЕисло элементов влияет на Тз* в зависимости от условий теплового влияния каждого элемента Однако во всех случаях влияние элементов на Тз* с ростом их числа уменьшается.

Увеличение толщины слоя краски на стенке кокиля элемента однозначно увеличивает Тгм , так как с ростом толщины сдоя краски, увеличивается время затвердевания элемента.

Интервал кристаллизации сплава влияет на Тзн следующий образом. С увеличением д{*р сопряженные элементы сокращает ^¿м, так как увеличивается перепад температур мезду массивом и 5ле«ент1. При д{кр '=0 влияние элементов снижается не только ■потому, что уменьшается перепад температур, но также потому, что сокрал^ется продолжительность его суЕествования во время затвердевания массива.

Анализ влияния числа и приведённого размера элементов «а ТЗМ позволяет сделать вывод о ьозмодаости управления затвердеванием массива кокильной отливки при помощи специального технологического оребрения. Анализ показал, что наибольшее влияние на Тзм оказывает первые два ребра, 8атеы с ростом числа рёбер эффективность оребрения массива значительно снижается, если Тзм приближается ко времени затвердевания ребра. Разработанная методика позволяет рассчитать охлаждавшее воздействие оребрения и выбрать оптимальный вариант.

Разработан алгоритм расчёта размеров открытых прибылей для кокильного литья. Определение размеров прибыли выполняется

на основе расчетов продолжительности затвердевания прибыли и питаемого от неё узла отливки, а также требуемого их соотношения:

-4^ = 0 . (в)

где Тзпр , Тзм - время ватвердевания прибыли и массива. Значения Г} для алюминиевых сплавов известны из справочной литературы.

Ва основе алгоритма расчёта прибыли разработана прикладная программа Riser для ПЭВМ типа IBM PC At.

В пятой главе приведены результаты производственного опробования и внедрения прикладных программ.

Выполнена оптимизация размеров технологического' напуска на стенка отливки автомобильного колеса из сплава AJB, изготавливаемой на Балалмхинском яитейно-иэханическои заводе литьём в кокиль.

Задача заключалась в уменьшении технологического напуска па стенке отливю! с сохранение« условий затвердевания и питания отливки, которые достигаются при принятом в производстве технологическом напуске и обеспечивают получение качественной отливки. Задача ревена с использованием разработанных прикладных программ при обеспечении заданного значения критерия .направленности затвердевания и питания отливки по её высоте. В данной работе в качестве критерия направленности затвердевшпш и питания отливки испольэоваи относительный временной градиеж (так как сплав с узким интервалом кристаллизации):

г -

где - ДГ3 разница во времени затвердевания питавдэго и пита- , емого объёмов, отстоящих на расстоянии Д [ друг от друга; T¿ - время ватвердевания питаемого объб><а.

В результате оптимизационных расчётов предложены изменения в технологии (изменение толщины слоя кокильной краски или толщины стенки кокиля) , которые позволяют на 40 X уменьшить размеры технологического напуска и на 20 2 сократить расход металла на одну отливку (за счйт уменьшения масс технологического налуска и прибылей отливки). Результат данной работы подтверждён актом внедрения.

Также с помощью разработанной методики рассчитаны техно-алогические средства, поаьоляшие обеспечить требуемую по технологии начальную температуру кокиля в рабочем цикле изготовления тонкостенной корпусной отливки секции автомобильного двигателя.

Общие выводы.

1. На основе теоретического анализа с использованием методов математической физики и поузлового расчета отливок и с учётом определяющих особенностей тепловых процессов в кокиле (аккумуляции теплоты кокилем, термического сопротивления зазора меаду отливкой и кокилем, в частности, слоя покрытия на его поверхности, теплоотдачи с наружной поверхности кокиля в окружающую среду) разработана методика расчета на ЭВМ последовательности затвердевания фасонных отливок из алшиниевых сплавов в кокилях.

2. Ба основе аналитического решения вадачи о теплообмене между отливкой и кокилем методом теории теплопроводности, с целью расширения возможностей расчетов затвердевания и питания

сложных: фасонных отливок введено понятие и разработана методика расчёта эффективного коэффициента аккумуляции теплоты кокиля. .

3. Как основа определения последовательности затвердевания отливок в кокилях разработана методика расчета продолжительности затвердевания массивов узлов и других элементов отливок. Для зтого методами теории теплопроводности решены задачи. об отводе теплоты в кокиль (с учётом влияния его внешних углов), из массива в тонкие элементы узла отлизки и во внутренний стержень, оформляющий полость в массиве (при её наличии). ;

4. В расчётах последовательности затвердевания протяжённых отливок необходимо учитывать распределения температур в расплаве, заполнившем форму, и в кокиле в конце его заливки. С этой целью разработана методика теплового расчёта заполнения кокилей расплавом (в частности, с помощью часто применяемой вертикально-¡¡¡елевой литниковой системы).

5. Экспериментальной . проверкой расчётов затнердевания массивов узлов отливок кз алюминиевых сплавов в ко га-лях подтверждена адекватность разработанной расчётной методики.

6. Установлено, что влияние на время затвердевания массива узла ( сопряжённых с ним элементов отливки г*-¡висит от приведённого размера (X;) и числа (Я) элементов в уьле,& также интервала кристаллизации сплава (Д1 кр ). При малом X;(относительно размера массива) увеличение N приводит к уменьшению Т3и, а при большом X;- наоборот, к увеличению Т\ч. Умеш>-шение Гзм происходит таю«е при увеличении Д1Кр • При этом во всех случаях при увеличении N наибольшее влияние на оказывают первые два элемента, а затем при дальнейшем росте !1 влияние элементов на значительно снижается.

7. Установлено, что на продолжительность затвердевания массива значительное влияние оказывает уменьшение интенсивности теплообмена в зоне внешнего угла, орразованного в кокиле пересечением поверхностей массива и сопряжёиного с ним элемента узла. Если этим влиянием пренебречь, то погрешность расчёта составит не менее 30 X.

8. На основе решения задач о затвердевании отливок в кокилях разработаны методики расчёта размеров открытой прибили и непрерывности питания протяжённого тонкостенного элемента отливки. Для сплавов с увкиы интервалом кристаллизации показана возможность использования для оцешси непрерывности питания относительного вреыедного градиента процесса затвердевания участков протяжённого элемента.

С. .По полученным расчётным методикам разработаны•соответствующие алгоритмы к прикладные программы расчётов на ЭВЫ процесса формирования отливок из 'алюминиевых сплавов в кокилях и технологических средств управления процессом. Основной среди них является универсальный программный модуль для расчёта продолжительности затвердевания массива трёхмерного узла отливки. Програшы . ориентированы на работу с ГЕЕМ, типа IBM PC AT под: управлением операционной систем КБ ГШ и отличается компактность» машинного кода и высоким быстродействием.

10. Разработанные прикладные программы прошли производственное опробование в расчётах отливок номенклатуры Еала-шихинского литейно->ехалического завода. Для отливки автомобильного колеса из сплава АЛ9 рассчитана технологические • средства, позволившие на 40 X уменьшить размеры технологического напуска на стенке отливки и на 20 % сократить требуемый расход металла Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных ре!Сомендаций на БЖЗ только за счёт сокращу-

ния расхода металла составляет 6200 рублей на одну отливку (в ценах на март 1993 года).

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Неуструев А. А., Черный К А. Пэузловой расчёт времени затвердевания отливок в кокилях // Проблемы литейной технологии. - Пермь, 1991.- С. 57-64

2. Неуструев А. А., Черный а А. Особенности расчёта времени затвердевания отливок в кокилях // Известия ВУЗов. ЧМ. -1991.- N П.- С. 79-81.

3. Неуструев А. А., Черный а А. Расчёт затвердевания отливок в кокилях // Литейное производство. - 1992. - N 12. - С. 10.

4. Неуструев А. А., ^рннй В. А. Штематическая модель процесса затвердевания отливок в кокилях // Кристаллизация и компьютерные модели: Тезисы V Международной научно-технической конференции. - Ижевск. - 1992.- С. 51-52.

5. Черный К А. Разработка способа расчёта на ЭВМ процесса затвердевания фасонных отливок в кокилях // Новые материалы и технологии машиностроения: Тезисы докладов Российской научно-технической конференции.- Москва.- 1992.- С. 29.

б: Неуструев А. А., Мэдин С. В., Чгрный В. А. Оптимизация системы питания для литья в кокиль алюминиевых сплавов // Новые материалы и технологии машиностроения: Тезисы докладов Российской научно-технической конференции. - Иэсква. - 1993. -С. 75.