автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка приниципов управления формированием массивных цилиндрических отливок типа прокатных валков из заэвтектоидных сталей на основе математического моделирования

На правах рукописи

. УШЕНИН Виктор Владисгаэовяч

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ СОРШРОВАЙИЕМ МАССИВНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОТЛИВОК ТИПА ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ ИЗ ЗАЭВ7ЕКТ0ИДНЫХ'СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕМАТИЧЕСКОГО МОЛЕЛИРОВАНИЯ . .

Специальность 06.16.04 - Литейное- производство

Автореферат

диссертации на соискание.ученой степени кандидата еехничесюи паук '

Екатеринбург - 1995

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация и технология литейных процессов" Уральского государственного профессионально-педагогического

университета.

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук,

член-корреспондент академии инженерных наук Российской федерации Чуркин Б.С.

Научный консультант - доцент,, кандидат технических наук

Панчук А.Г.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

- Ведущее предприятие - 'уральский институт металлов.

при Уральском государственном техническом университете - УШ по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира. 19.

Фурман Е.Л.;

с.н.с., кандидат технических наук' Дистергефт И.М.

Запита диссертации состоится. '"•/5." /УCffl tgge г. ъ SS часов на заседании диссертационного совета Д 063.14.01

Автореферат разослан " Z " igge г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.14.01, доктор технических наук, профессор .

Н.С.Шумаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность'. В настоящее время в литейном производстве серь-ное значение приобретает реализация новых технологий, связанных с вкшением качества производимой продукции при максимально возмож-й экономии материальных и трудовых ресурсов. Это особенно ощутимо и изготовлении крупных отливок ответственного назначения, в част-сти, литых заготовок прокатных валков и их бандажей. Уровень экс-уатационных свойств такого рода изделия определяется в значитель-й мере качеством его рабочих поверхностных слоев и отсутствием $ектов усадочного происхождения.

Высокие требования, предъявляемые к рабочему слою подобной от-зки, такие как износостойкость, равномерность механических пока-селей по бочке валка и др., связаны с формированием ее структуры зроцессе затвердевания. Поэтому весьма актуальными являются упоение и прогнозирование литой структуры отливки.

Отсутствию усадочных дефектов в теле стальной литой заготовки жатного валка или его бандажа соответствует достаточное питание 1ивки расплавом. Получение мьоготоннажной стальной отливки с ло-изацией усадочных дефектов в ее прибыльной части должно соче-ься с рациональным использованием металла для достижения макси-ьно возможного выхода годного.

Для определения оптимальных параметров технологического проса изготовления литых заготовок прокатных валков необходимы зна-о кинетике затвердевания крупных цилиндрических отливок, полу-ные при изучении их формирования в многофакторной системе.

Цель работы. Разработка методов оптимизации тепловых условий >я для управления структурообразованием и питанием крупной цинической стальной отливки ответственного назначения.

Научная новизна. Разработана математическая модель■затвердева-

в металлической форме поверхностных сдоев крупной циливдричес-стальной отливки с учетом пластических и упругих деформаций ее 1ердевшей корочки. Разработана методика определения шагов интег-вания для решения задачи затвердевания отливки конечно-разност-способом, позволяющая обеспечить не только устойчивость счета, и необходимую точность. Получена экспериментальная зависимость ней величины литого зерна стали 150ХНМ от скорости охлаждения ее затвердевании. Разработана методика определения средней ве-

личины литого зерна в поверхностных слоях крупной цилиндрической отливки из заэвтектоидной стали, затвердевающей в металлической форме. На базе проведенных исследований кинетики затвердевания поверхностных слоев отливки получены регрессионные зависимости, позволяющие проводить оптимизацию параметров технологического процесса с целью формирования структуры с заданной величиной литого зерна.

Разработана методика аппроксимации граничных условий в узлах, образованных пересечением границ сопрягаемых тел. Разработана также методика расчета геометрии усадочной раковины при формировании стальной цилиндрической отливки. На основании математического моделирования формирования усадочной раковины в полой цилиндрической отливке из стали 150ХШ получены регрессионные выражения, позволяю-шле оптимизировать параметры технологического процесса для обеспечения максимально возможного выхода годного.

Практическая ценность. Проведена оптимизация параметров технологического процесса получения литых заготовок бавдакей прокатных валков из заэвтектоидной стали 150ХНМ с заданной величиной литого зерна в поверхностном слое отливки при максимальном выходе годного.

На основании прогнозирования расчетным путем средней величины литого зерна в поверхностных слоях отливки проведена оценка необходимости применения дополнительного динамического воздействия на затвердевающий металл, исследована и подтверждена высокая его эффективность. Разработана новая технология получения заготовок бан-дахей прокатных валков, позволяющая повысить • их эксплуатационную стойкость и снизить затраты на изготовление и механическую обработку.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований использованы для разработки технологического процесса изготовления литых заготовок бандажей прокатных валков из стали 150ХНМ, внедренного на Уфалейском' заводе металлургического машиностроения с суммарным фактическим экономическим эффектом 1218298 рублей в ценах 1991г. Доля автора - 200000 рублей.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- структурообразованием рабочего сдоя крупных стальных прокатных валков можно управлять в широких пределах, изменяя условия формирования газового зазора между отливкой и металлической формой;

- формирование газового зазора на границе отливка-металлическая форма существенно зависит от пластических и упругих деформаций

затвердевшей корки и естественной конвекции расплава;

- уровень и неравномерность эксплуатационных свойств рабочей поверхности крупных стальных отливок при литье в металлические формы значительно определяется толщиной кокильного покрытия, геометрическими характеристиками отливки и начальной температурой формы;

- наиболее эффективно комбинировать влияние теплофизических факторов на структурообразование отливки с применением вибрации.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: "Пути повышения качества и экономичности .гитейшх процессов" (г.Одесса, 1993); "Оптимизация технологических процессов и управление качеством при производстве фасонных отливок"(г.Ярославль, 1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения, 13 приложений, изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 47 рисунков. Список использованной литературы включает 122 наименования.

ОСНОВНОЕ С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи, результаты и научные положения.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Условия затвердевания крупных отливок по отношению к обыкновенным машиностроительным имеют отличия, которые существенно влияют на процесс их формирования. Это в значительной мере проявляется при литье в металлические формы. В данном случае наряду с естественной конвекцией на кинетику затвердевания оказывает влияние образование газового зазора на границе отливки с формой, закономерности которого для высоких массивных литых заготовок имеет сбои особенности и являются маю изученная!.

Известно, что формирование граничных условий определяет процесс затвердевания поверхностных слоев отливки. Это необходимо учитывать при изготовлении заготовок для изделий типа прокатных валков. Характеристика их рабочих слоев включает в себя показатели ве-

б

личинь. литого зерна, неравномерности структуры, которые определяются условиями затвердевания расплава. Однако исследования кинетию затвердевания отливок проводились в основном для отливки целиком, что обусловило относительно низкий уровень знания по формирована ее поверхностных слоев.

Рущественкый вклад в организацию теплообмена между массивно; отливкой и формой в процессе затвердевания расплава вносит его естественная конвекция. Однако влияние конвекции на условия формирования поверхностных слоев отливки является мало изученным и требует дальнейших исследований.

Тепловыми условиями сложно изменить общую кинетику затвердевания массивных отливок. Формирование же поверхностного слоя существенно зависит от теплообмена на границе отливка-формз. Это позволяет управлять процессом их формирования.

Кинетика затвердевания оказывает"влияние не только на структу-рообразование отливки, но и на ее формообразование, в частнос.?., па характер и локализацию усадочных дефектов. Проведенные до настоящего времени исследования, били направлены в основном на изучение питания сплошных отливок. В связи с эти остались недостаточно изученным! условия питания крупной полой цилиндрической отливки, что усложняет изготовление литых стальных заготовок бачдахей прокатных валков. Значимость этого вопроса повышается использованием в качестве материала для бандажей заэвтектоидных сталей, обладающих болъпим коэффициентом усадки при затвердевании.

Определение оптимальных параметров■ технологического процесса изготовления литых заготовок прокатных валков и их бандажей требует проведения исследований кинетики затвердевания крупных цилиндрических отливок. Подобные исследования в производственных условиях связаны с дороговизной промышленного эксперимента. Поэтому наиболее эффективной является разработка методов математического описания и оптимизации процесса формирования отливки.

Однако современные методы численного решения задачи затвердевания отливки недостаточно обеспечивают требуемую точность решения, учет граничных условий в угловых узлах системы и т.п.

Существенную роль в управлении структурообразованиел отливок, кроме тепловых условий, играет применение внешних воздействий на затвердевающий металл, которые оказываются необходимыми при недостаточном влиянии тепловых условий. Эффективным способом измельчения

структуры является виброобработка затвердевающего расплава. Вместе с тем наблюдается низкий уровень оценки необходимости применения внешнего воздействия для получения заданной величины литого зерна.

Тесное взаимодействие кинетики затвердевания и питания массивных отливок требует детального изучения их совокупного влияния на структуре»- и формообразование литой заготовки.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ КРУПНЫХ ОТЛИВОК

Моделирование кинетики затвердевания поверхностных слоев прокатных валков и бандажей проводилось в цилиндрических координатах в одномерном приближении решения задачи, что обусловлено значительными градиентами температур по толщине поверхностных слоев и малыми по их протяженности.

При этом учитывалось, что формирование отдельных элементов отливок происходит в разных условиях, определяем!« различием материала формы. Теплоотвод от шейки прокатного валка и внутренней цилиндрической поверхности бандажа к песчаной форме осуществляется при плотном контакте их поверхностей (граничное условие 4-го рода), а формирование их рабочих слоев происходит в металлической окрапенной форме (граничное условие 3-го рода).

Математические модели включают в себя дифференциальные уравнения теплопроводности, написанные для сопрягаемых тел в цилиндрических координатах, начальные и граничные условия. При формировании математической модели- были решены следуйте вопросы, связанные со спецификой затвердевания крупных, массивных стальных отливок.

Методика расчета значения коэффициента теплопередачи от отливки к металлической форме. Разработана методика расчета значения коэффициента теплопередачи от отливки к металлической форме «о на определенном по высоте уровне отливки. При этом ■

(1/(вкр/*кр+1/«1 ваз) при. Ь Р < Ь У ,

(1)

X кр / 5 кр при Ь р ) Ь у ,

где <х заз - суммарный коэффициент теплопередачи через зазор (азаэ -- «изл + / З3аэ): осИэя - коэффициент теплопередачи через зазор излучением; Хзлэ» *к$> и бзда, бкс - коэффициенты теплопровод-

ности и значения толщины слоя зазора и краски соответственно; Ьр -расстояния от верха отливки до ее расчетного уровня; Ьу - текущее значение координаты появления зазора, равное расстоянию от верха отливки до уровня его образования.

Величина формирующегося газового зазора 63аз определяется с учетом пластических и упругих деформаций корочки отливки и показана на рис.1. Расчетное выракение имеет следующий вид:

5

ДХо + ЛХ®-ДХп-йХу + ЛХи.

(2)

где Д Хо и Д Хф - лине!шые «вменения размеров отливки и формы при изменении их температуры; Д Хп и Д Ху - величины, обусловленные остаточной пластической и упругой деформацией корочки отливки; ДХИ -величина упругой деформации стенки металлической формы, вызванной перепадом температур по ее толщине (принимается равным О ввиду малости ее величины по отношению к другим всдач деформации при изготовлении цилиндрической отливки большого диаметра).

дХ9 аХФ

корснко ОТЛИВКИ

Рис.1. Схема образования газового зазора

- Учитывая линейность закона изменения статического напора по высоте формы, можно рассчитать в любой момент времени координату

g

появления зазора h у по этой высоте, зная толщину затвердевщей корочки отливки S тк и предел текучести ее материала б т:

h у - б т ' В тк /'(R о ' Р 1х • 8) . (3)

где р 1ж и g - плотность расплава и ускорение свободного падения.

Методика расчета позволяет определить момент образования и динамику изменения газового зазора на расчетном уровне отливки.

Расчеты кинетики затвердевания стальной полой, цилиндрической отливки с наружным и внутренним диаметрами соответственно 1,6 и 0,8 м и еысотой 2 м показали значительную продолжительность образования зазора по высоте отливки, разку» 580 е.- Очевидно, что Формирование поверхностных слоев на разных уровнях отливки происходит в различных условиях. Так, расчетное время затвердевания поверхностного слоя на верхнем уровне отливки (без учета торцевого эффекта охлаждения) по отношению к нижнему уровню на глубине 20 мм боль-□е на 80%, а на глубине 40 мм - на 50% . Из этого следует, что при проведении анализа по степени неравномерности структурообразования поверхностных слоев крупной отливки на разных уровнях по ее высоте необходимо учитывать пластическую и упругую деформацию корочки отливки под действием статического напора расплаза.

Определение величины шагов интегрирования. Для решения задачи затвердевания применялся метод конечных разностей с использованием явных конечно-разностных схем.

Известно, что при измельчении пространственных патов Дг и уменьшении шага по времени At решение должно сходиться к истинному. При этом необходимо обеспечить устойчивость расчета, условие которой для явных схем вкрагается неравенством

to < Дг2 / (2 - а), (4)

где а - коэффициент температуропроводности тела.

Однако условие устойчивости расчета не является достзтотша для достижения необходимой точности решения задачи.

Выполним приближенный анализ граничного условия 4-го рода на границе отливка-форма:

* (dTi / (*г)м - *2 • WT2 / dr)u (5)

где Xi и Хг - коэффициенты теплопроводности материалов отливки я •

формы; Т} и 1г - значения температуры отливки и формы; г - пространственная координата; М - номер узла контакта отливки с формой (М - для отливки, 1 - для формы).

После записи этого выражения в конечно-разностном виде и некоторого преобразования имеем:

Дг1 / Дг2 - • (Т1 м - Та м-1) / СХ г ' (Тг 2 - Т1 мЛ . (6)

где Лг1 и Лгг - величины шагов по отливке и форме соответственно; Т1 м и Тг 1 - температура на границе раздела (Т1 м - Т21); Та м-1 и Тг 2 ~ значения температур« расплава и формы в соседних с границей узлах сетки координат. •

Подставив в полученное выражение значения температур, соответствующие началу процесса затвердевания отливки, и выразив температуру на границе раздела через начальные температуры расплава и формы, получим после проведения несложных математических операций условие, которому должно удовлетворять отношение пространственных шагов интегрирования в сопрягаемых телах

где а 1 и а г - коэффициенты температуропроводности материала отливки и формы соответственно.

Согласно приведенной методике расчета, сходимость разностной схемы для граничного условия 4-го рода к точному решению обеспечивается, при отношении шагов Дт* / Дгг, вычисленном в соответствии с уравнением (8), т.е. равном й.

На рис.2 показано влияние величины соотношения шагов интегрирования на расчетное время затвердевания поверхностного слоя отливки из заэвтектоидной стали, прилегающего к песчаной форме. Радиус отливки равен 0,15 м, толщина слоя - 35 мм. По расположению кривой видно, что изменение Дп / Лгг от 4,0 до 0,55 вызывает увеличение расчетного времени затвердевания наружного слоя отливки почти на 50 X . Точное решение задачи соответствует величине с1 » 2,9; определенной по выражению (8).

Таким образом, в алгоритм решения задачи конечно-разностным способом при исследовании кинетики затвердевания поверхностных слоев отливки' с . выполнением граничного условия 4-го рода необходимо включить расчет по разработанной методике величины (1 и только после

Дг 1 / дг 2 - а . (7)

(8)

этого следует определять значения шагов для сопрягаемых тел (Дп к Дгг). Применение методики может быть полезным и при двухмерном решении задачи для определения оптимальных значений величин пространственных сагсв по телам, имеющим общие вертикальные или горизонтальные границы.

Как показали расчеты, условие (8) является необязательным при при изучении кинетики затвердевания поверхностных слоев отливки, формирующихся в металлической форме, т.е. при выполнении граничного условия 3-го рода.

Влияния' естественной конвекции на затвердевание поверхностных слоев крупной отливки. Оценка влияния естественной конвекции на затвердевание поверхностных слоев крупной отливки проводилась с учетом эффективного коэффициента теплопроводности расплава -- ек ' . где ск - коэффициент пропорциональности, ' учитывающий интенсивность конвекции расплава. Расчет кинетики "затвердевания в металлической' форме стайной полой цилиндрической отливки с наружным и'внутренним диаметрами 1,6 и 0,8 м показал, что повышение интенсивности теплопереноса в подвижней обгеме отливки за счет естественной ' конвекции увеличило время затвердевания наружного поверхностного слоя на глубине 20 мм на 95 X, на глубине 40 мм - на 55 X и на глубине 60 мм - на 35 X'. Это свидетельствует о необходи-• мости учета конвекции расплава при изучении формирования поверх- • ностных сдоев отливки.

Аппроксимация граничных условий в угловых точках схемы. Математическое описание краевой задачи затвердевания цилиндрической отливки целиком для исследования формирования усадочной раковины имеет двухмерный характер в цилиндрических координатах. Наиболее сложными для-математического описания являются узлы, образованные пересечением границ сопрягаемых тел.

Разработана методика аппроксимации граничных условий в угловых точках схемы. Особенностью подхода к формированию граничных условий является обеспечение соблюдения не только самих условий, но и удовлетворение дифференциального уравнения Фурье, т.е. закона сохранения тепла. В основе репения лежит анализ теплообмена меяду телами, образующими угловой, узел. При этом угловая зона разделяется на квадранты. Граничное условие в узле является по существу сочетанием граничных условий-смежных тел с учетом постоянства теплового потока до и после их границ как в вертикальном, так и в горизон-

тальном направлении. На рис.3 в качестве примера изображен угловой узел отливки, для которого граничное условие принимает следующий вид: Тз1 - Тц - Т41 ;

для горизонтальной составляющей теплового потока

Х3' (ЛЭ1/ЙГ)-(ЛУ1 + йУ4) - (сЮц/^)-йу1 + Х4- (<Я41/ЙГ)'ЛУ4 ; (9) для вертикальной составляющей теплового потока

Хз • (<Яз1н/<*У) • йгз + Х4 • (.(П^/Оу) • йГ1 « - Хз • (сЯзхбМ') • Дгз + (с^и/с/у) • ДГ1; (10)

где и и Т - соответственно функция Гудмена для отливки и температура для элементов формы; цифры в индексах при величинах Т и и - первая соответствует номеру тела, вторая - номеру узла; Хз и Х4 - коэффициенты теплопроводности 3-го и 4-го тела; Дг1 - величина пата по координате г в телах 1 и 4; Ду$ и Ду1 - величины шагов по вертикальной координате в нижних и верхних квадрантах системы узла.

Рис.2. Влияние шагов интегрирова- Рис.3. Расчетная схема угловой ния на время затвердевания _ воны отливки: поверхностного слоя отливки „ (Т), (з), (7) - индексы тел

Рассматривая эти условия совместно с дифференциальными уравнениями теплопроводности для тел б указанных квадрантах и разложениями температур тел в узле^в ряды Тейлора, после преобразований получаем выражение для определения температуры в граничном угле. Для угла, изображенного на рис.3,, расчетное выражение имеет следующий

вид:

OnK+1 - Фцк + At • CAiK + аз • BiK • A2k) . (И)

где Фц - Нц + Тц • Bi ; Нц и Тц - функция Кирхгофа и температура углового узла отливки; Bi - величина, зависящая от координат расчетного узла, шагов интегрирования и теплофизических харачте-ристик материалов сопрягаемых тел; Ai к Аг - величины, зависящие от значений температуры углового узла, смежных с ним узлов и от шагов интегрирования; üt и к - величина шага по времени и номер сага.

Величина температуры узла Тц определяется по известному значению Ф с использованием выражения Тц * (Фц - Нц) / Bi.

Экспериментальные данные литературных источников подтвердили адекватность математической модели затвердевания отливки реалькьи процессам теплообмена.

Исследование влияния технологических факторов на кинетику затвердевания и структуру поверхностных слоев отливки. Основой для формирования эксплуатационных свойств прокатных валэюв является управление структурообразованием в процессе затвердевания отливки. В качестве определявшего фактора влияния на литую структуру приняли скорость охлаящения расплава при его затвердевании v ОЖЛ.

В лабораторных условиях определена зависимость средней величины литого зерна s Ср от v охл- В качестве исследуемого материала применялась заэвтектоидйая сталь 150ХКМ. В экспепиментях глегтмп»-

_____,—_______________ .1 Uv>;vi уъа ыиооа «и- осшешпии температуры И его

охлаждение при различных тепловых условиях.. При этом фиксировались температурные кривые охлаждения и определялось распределение размера верна при равных скоростях охлаждения.

Математическое выражение зависимости средней величины литого зерна от скорости охлаждения стали 15QXHM при ее затвердевании имеет следующий вид:

S ср - 19,6699 - 25,4072 * In (v охл) . (12)

Зависимость справедлива при 0,1 < v охл < 1 к/с.

Для изучения кинетики затвердевания поверхностных слоев отливки и формирования литой структуры по их глубине проводились планируемые машинные эксперименты для бочки прокатного валка и бандажа. Диаметры их бочек варьировались в следующих пределах: 0,40...0,68 и для валка и 1,4...2,0 ы для бандажа.

■ Беременными величинами являлись наружный радиус отливки, толщина стенки форш, коэффициент теплопередачи через слой кокильной краски, начальная температура Формы, расчетный уровень отливки и для бандажа - толщина стенки отливки.

Получены уравнения регрессии, описьгааодие кинетику затвердевания поверхностных' слоев отливок и распределение по их глубине скорости охлаждения расплаза при его затвердевании. Анализ уравнений показал существенное Елияние на структурообразовакие поверхностных слоев отливки коэффициента теплопередачи через слой краски и расстояния от верха отливки до ее расчетного уровня. Меньшее влияние оказывают толщина отливки, ее диаметр, начальная температура формы.

Удовлетворительное совпадение расчетной и экспериментальной зависимости средней величины литого зерна Сочки прокатного валка от расстояния до поверхности отливки свидетельствует о пригодности уравнений для прогнозирования структуры в поверхностных слоях изделия. Уравнения регрессии могут применяться не только для определения оптимальных параметров технологического процесса, но и для оценки необходимости применения дополнительного воздействия на затвердевающую отливку с целью измельчения ее зерна.

Затвердевание отливки целиком. При удалении от -поверхности отливки наблюдается активное снижение влияния не результаты расчета кинетики ее затвердевания деформации корочки'и естественной конвекции расплава. На полное время затвердевания полой цилиндрической отливки из заэвтектоидной стали их влияние является несущественным.

Получено уравнение регрессии для кинетики затвердевания литой заготовки бандажа прокатного валка, позволяющее определять толщину затвердевшего слоя отливки в любой момент времени, а также продолжительность ее полного затвердевания. Из анализа коэффициентов регрессионного уравнения следует, что наиболее существенное влияние на кинетику затвердевания заготовок бандажей при постоянстве толщины отливки оказывает коэффициент теплопередачи через слой краски о^р. Однако фактор «кр оказывает активное воздействие только на начальной стадии процесса затвердевания отливки, т.е. на формирование ее поверхностных слоев.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ СОВКРОВАНИИ ОТЛИВОК

Математическая модель формирования усадочной, раковины. Для

изучения процессов формирования усадочных раковин в крупных цилиндрических стальных отливках разработана математическая модель, реализуемая на ПЭВМ и позволяющая проводить исследования с учетом широкого спектра входных параметров.

Определение геометрии усадочной раковины основано на базе двухмерного решения задачи затвердевания отливки.

Организация расчетов геометрии и локализации усадочной раковины проводилась при условии отсутствия -отвода тепла с ее поверхности в окружающую среду, а также теплообмена в горизонтальном направлении между противоположными сторонами ее поверхности. Это приемлемо для изучения формирования цилиндрических отливок, имеющих прибыли, вертикальный теплоотвод от которых в окружающую среду намного'меньше горизонтального. Такие условия могут ешолняться, в частности, при изготовлении литых заготоёок прокатных валков и их бандажей стационарны).! способом литья с применением утепляющих смесей.

В качестве температуры Ту. определяющей образование поверхности усадочной раковины в затвердевающей стальной отливке, принималась тегаература нулевой жидкотекучести. Интенсивность опускания уровня жидкого металла dhyp / dt определяется скоростью затвердевания отливки d+ т / dt U т - доля твердой фазы в двухфазной области), величиной суммарной относительной объемной усадки е v. площадью зеркала расплава F эм при известном объеме жидко-твердой зоны отливки V х_т, т.е.

dhyp / dt - (d* т / dt) • V м • s у / (F а * 100) • (13)

Поскольку метод конечных разностей позволяет рассчитывать значения температуры через определенные временные интервалы At, то, проинтегрировав выражение (13) при изменении величин hyp и VT соответственно на Ah Ур и AVT, получили уравнение

Ah ур - ev ' AV х / lit • (г зм2 - г 100] il4)

для определения увеличения глубины формирующейся усадочной'раковины в полой цилиндрической отливке за время At, где г зм и г вм * наружный и внутренний радиусы зеркала металла..

Изучение формирования полой цилиндрической отливки проводилось применительно к изготовлению литых заготовок бандажей составных прокатных валков.

удовлетворительная сходимость расчетной и экспериментальной конфигурации усадочной раковины в отливке, предназначенной для получения бандажа диаметром и шириной Сочки соответственно 1,6 и 1,04 м, показала возможность использования разработанной методики расчета для прогнозирования оптимальных размеров прибыли крупных стальных цилиндрических отливок.

Исследование влияния на кинетику образования усадочной раковины параметров технологического процесса. Изучение влияния технологических условий на кинетику образования усадочной раковины проводилось с помощью планируемого машинного эксперимента. .

Переменными велт^чинаш являлись наружный радиус отливки R0 и ее толщина б0, коэффициент теплопередачи через слой кокильной краски « кр, высота бандатл Нб и прибыльной части отливки Н пр, коэффициент теплоаккумуляции материала прибыльной надставки b Пр-

В результате получены уравнения регрессии, выражающие:

- зависимость 'от времени и технологических параметров относительного объема усадочной раковины и уровня зеркала металла;

- зависимость от параметров технологического процесса относительного объема усадочной раковины после завершения ее формирования, относительных горизонтальной и вертикальной координат термического узла отливки.

Из анализа регрессионных уравнений вытекает наибольшая зависимость приведенных показателей процесса формирования усадочной раковины от следующих технологических параметров:. s 0. н Пр. а кр. ь пр-

Полученные уравнения регрессии могут применяться для определения оптимальных параметров технологического процесса.

На основании проведенного планируемого- эксперимента получена формула для определения оптимальной высоты прибыльной части отливки Н лр при заданном коэффициенте sanaca металла к ь :

н ПР - й© • ю,16 ' (Kh - М / Ье + 0,53 , (15)

i»

где b и ь с - ь&ййчйны, баЬййящие от кодированных значений факторов планируемого эксперимента.

Интервал пригодности данного уравнения находится в пределах изменения величин R о от 0,7 с до 1 ы и Kh от 0,5 до 1; что обусловлено планированием эксперимента.

. 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК БАНДАЕЕЙ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ '

До внедрения на Уфалейском заводе металлургического машиностроения (УЗ!,?/!) новой технологии производство литых заготовок бандажей прокатных валков осуществлялось на разработанной УКРНЖМЕТом центробежной малине с вертикальной осью вращения. Возникпие проблемы, связанные с вынужденным ограничением отливки по высоте и с большой величиной припуска на механическую обработку для низких отливок, вызвали необходимость разработки и внедрения дополнительного способа производства литых заготовок бандажей, устраняющего указанные недостатки.

В качестве такого способа был предложен метод сифонной заливки, позволяющий изготавливать высокие пустотелые цилиндрические отливки высотой и диаметром до 2 и при минимальных припусках на механическую обработку как по наружной, так и по внутренней цилиндрическим поверхностям заготовки.

Методика определения технологических параметров изготовления литых заготовок бандажей прокатных валкоз. Одним из важнейших параметров литой структуры является средний размер зерна б Ср» который в значительной мере определяет эксплуатационное свойства отливки. Размер литого зерна в пределах рабочего слоя бандапа зСр(5 п) должен удовлетворять требовании гСр(5 п) < з ту. где 3 п - расстояние . до поверхности отливки; - заданное, исходя из технических условий, значение размера зерна.

Используя полученную вависхность иеяду зСрй уохл (12), определяем минимально допустимую скорость охлаждения расплава при его затвердевании, соответствующую величине г>ту.

ИсхЪдя из анализа регрессионной зависимости

Чохл - 1 / 0»'-уо ♦ Ь VI • 5 я) . (16)

где Ь уо и Ь VI - коэффициенты уравнения • регрессии, зависящие от

кодированных внччений факторов планируемого эксперимента; наибольвее влияние на у0хл, а следователь!», и на размер зерна оказывает фактор «кр-!? о .

При заданных величинах Уохл, Ко. во. а также расчетного уровня |1р* нулевых значениях минимальна влияниях факторов Т02 и 5® / Вь

определяем из выражения (16) кодированное значение фактора <хкр"1? о. где Т02 и бф - начальная температура и толщина стенки формы. При этом й р соответствует середине бочки литой заготовки ■ бандажа. По известному кодщ5ованному значению фактора определяется его фактическое значение Окр'Я о-

Зная коэффициент теплопроводности кокильного покрытия \кР, можно рассчитать толщину слоя краски 8 кр - хкр • I? 0 / (вкр'й о)-

С учетом найденных значений факторов следует выполнить машинные эксперименты для определения максимального значения температуры внутренней поверхности кокиля Тапах- Известно, что для повышения стойкости кокиля необходимо свести к минимуму развитие пластических деформаций в его стенке. Это имеет место при Тгтах < 750 °С. Если это условие не выполняется,, то необходимо откорректировать значение «кР. Для удовлетворения требований по среднему размеру зерна целесообразно в данном случае применить дополнительное динамическое воздействие на затвердевающий расплав, например, вибрацию.

Определение оптимальной высоты прибыли следует выполнять по уравнению (15).

Приведенная методика расчета технологических параметров позволяет обоснованно подойти.к решению вадачи изготовления литых заготовок с заданной структурой их поверхностных слоев при рациональном использовании металла для питания отливки.

5. эгФЕКТИВНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ОТЛИВКИ

Выполнено внедрение разработанной технологии изготовления литых заготовок бандажей прокатных валков ив заэвтектоидной стали 150ХНМ с наружным и внутренним диаметрами; соответственно 1.6 и 0,8 м и высотой до 1,04 м, изготовление которых оказалось невозможным на центробежной машине.

Разработанная методика расчета технологических параметров позволила определить необходимость дополнения влияния тепловых условий на структурообразование поверхностных слоев отливки динамическим воздействием. Источником дополнительного динамического воздействия служил низкочастотный пневматический вибратор типа МКВ-2М, который прикреплялся к верхнему торцу металлической формы и включался после ее заполнения. Параметры вибрации: амплитуда - 0.1...0,5 мм, частота - 20...40 Гц, продолжительность - 2.часа.

Расчетным методом определено измельчение литого зерна в поверхностном слое отливки действием вибрации приблизительно на ЕО 7..

Благоприятная структура рабочего слоя отливки и равномерный ее характер по всему объему заготовки, зозмогаость изготовления высоких отливок, применение наиболее дешевого способа динамического воздействия, а таете сн;кение трудозатрат при механической обработке позволили провести внедрение на УЗММ разработанной технологии изготовления литых заготовок бандажей протатных валков из заэвтек-тоидной стали 150ХНМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных в диссертация исследований мохно сделать, следующие обобщенные выводы:

1. Реализация разработанной математической модели затвердевания поверхностных слоев крупной цилиндрической стальной отливки в металлической форме ' с учетом возникновения и формирования на их , границе газового зазора подтвердила значительное елияниэ следующих факторов:

- пластические и упругие деформации корочки отливки;

- изменение величины статического напора расплава по высоте отливки;

- естественная конвекция расплава.,

2. Существенное влияние на структурообразованиэ по глубине поверхностных слоев отливки в металлической Серя о"' оказывает действие пластических и упругих деформаций ее корочки.

3. Затвердевание поверхностных слоев крупной отливки значительно замедляется естественной конвекцией расплава благодаря увеличению теплового потека от центральной зоны отливки.

4. Структурообразование поверхностных слоев по протяхеннссп массивной цилиндрической отливки при затвердевании в металлической форме существенно зависит от изменения величины статического напора расплава по Еысоте формы. Это требует учета статического напора в высокой форме при анализе неравномерности структуры и механических свойств по поверхности изделия.

5. При удалении вглубь от поверхности" затвердевающей отливки снижается степень влияния пластических и упругих деформаций ее корочки, естественной конвекции и статического напора расплава. При

изучеьии затвердевании отливки целиком действие указанных факторов может не учитываться.

6. Для. повышения точности расчетов решение задачи затвердевания поверхностных слоев отливки при литье в песчаные Форш, в частности, шейки прокатного валка, методом конечных разностей должно выполняться с предварительным определением оптимального отношения шагов интегрирования по толщине сопрягаемых тел. Только после определения отношения шагов можно задавать их величины. Методика определения шагов интегрирования разработана в диссертации.

7. Обработка результатов машинных экспериментов по моделированию затвердевания поверхностных слоев крупных цилиндрических отливок. а также полых цилиндрических отливок целиком позволила получить уравнения регрессии, положенные в основу оптимизации тепловых и геометрических параметров литья.

8. Критериями оптимальности при этом были приняты:

- средняя величина литого зерна поверхностных слоев отливки;

- равномерность структур! по глубине и протяженности поверхностных слоев;

- глубина проникновения усадочной раковины в тело отливки;

- форма и относительный объем усадочной раковины.

9. Наиболее важными параметрами технологического процесса по отношению к структурообразованию поверхностных слоев отливки являются коэффициент теплопередачи через слой краски'и расстояние от верха отливки до ее расчетного уровня. Меньшее.значение имеют толщина отливки, ее диаметр, начальная температура формы.

Ю. Разработана математическая модель формирования усадочной раковины в затвердевающей полой цилиндрической стальной отливке при отсутствии теплоотвода от зеркала металла применительно к изготовлению высоких литых заготовок бандажей прокатных валков.

11. Формирование усадочной раковины й водой цилиндрической отливке при литье в металлические формы имеет наибольшую зависимость от следующих технологических параметров:'

- по отношению к относительному объему усадочной раковины: коэффициент теплопередача Через слой красй!» толщина стенки полой цилиндрической отливки;

- по отношению к проникающей сНОСобййсти усадочной раковины в тело отливкй:. толщина стенки отливки, Высота ее прибыльной части, коэффициент теплопередачи через слой краски и коэффициент теплоак-

кумуляции материала прибыльной надставки. .

12. В результате машинных экспериментов получены формулы для определения значений технологических параметров изготовления литых заготовок прокатных валков и их бандажей из стали 150ХНМ, обеспечивающих заданные кинетические характеристики затвердевания и структуру поверхностных слоев отливок, а также управление формированием усадочной раковины с целью обеспечения рационального питания полых цилиндрических отливок для повышения выхода годного.

13. Результаты математического моделирования затвердевания поверхностных слоев литой заготовки в отношении средней величины литого зерна могут быть определяющими по вопросу о необходимости применения динамического воздействия, расширяющего возможность управления структурообразованием отливки.

14. Разработана и внедрена в производство на Уфалейском заводе металлургического машиностроения технология изготовления высоких пустотелых цилиндрических отливок, которая позволяет с помощью динамического воздействия, дополняющего влияние тепловых условий, получать качественные литые заготовки бандажей прокатных валков. Суммарный фактический экономический эффект от внедрения технологии составил в ценах 1991 г. 12182S3 рублей. Доля автора - 200000 рублей.

Основное содержание диссертации опубликовало в работах:

. 1. Чуркин B.C., УшенинВ.В., Осипов Л.В. О точности решения задачи затвердевания отливки методом конечных рззностей//Изв. вузов. »1ашиностроение. 1993. № l.'C. 112-115.

2. Вибрационное воздействие на кристаллизацию отливок бандажей i валкйв прокатных vстанов / А.Г.Панчук, В.В.Ушенин, Р.И.Силин, ).П.Поручиков, В.А.Денисов/ЛТути повышения качества и экономичности штейкых процессов. Одесса: ОПУ, 1993. С. 48-49.

3. Математическое моделирование затвердевания рабочего слоя яливок бандажей прокатных валков о учетом образования газового за-юра на границе отливка-форма/Б.С.Чуркин, В.В.Ушенин, Ю.П.Поручи- ' вв, А.Г.Панчук//Пути повышения качества и экономичности литейных роцессов. Одесса: ОПУ, 1993. С. 50-61.

4. К вопросу о решении задачи затвердевания отливки методом онечных разностей/ Ю.П.Поручиков, В.В.Ушенин, Б.С.Чуркин, Р.И.Си-

лин//Пути повышения качества и экономичности литейных процессов. Одесса: ОПУ, 1993. С. 52-53.

5. Чуркин Б.С., Ушенин В.В. О решении задачи'затвердевания отливки конечно-разностным методом в двумерном приближении//0птимиза-ция технологических процессов и управление качеством при производстве фасонных отливок. Рыбинск: Рыбинский авиационный технологический институт, 1993. С. 23-25.

6. Чуркин Б.С., Ушенин В.В., Силин Р.И. Решение задачи затвердевания поверхностных слоев отливки прокатного валка методом конечных разностей/УЛитейное производство. 1994. № 1. С. 25-27.

7. Чуркин Б.С., Ушенин В.В., Панчук А.Г. Математическое моделирование затвердевания крупных цилиндрических отливок типа бандажей прокатных валков с учетом образования газового зазора на границе отливка - форма // Изв. вузов. Машиностроение. 1994. № 10 - 12. С. 102-105.

Псдпизанс в печать 27.03.96 Фермат 60x84 I/I6

Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,39 ' ,"

Уч.-тизд.л. 1,22 _ Тираж 100 Заказ 139 Бесплатно

Редакционнс-издательокий отдел УГТУ . 620С02, Екатеринбург, I.fapa, 19 Ротапринт УГТУ. 62С002, Екатеринбург, !/.ира, 19