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

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ЕРЙНЩОВ УПРАВЛЕНИЯ ССШЙРОВАЙИЕМ МАССИВНЫХ ЦЮИНДРИЧЕСШ ОТЛИВОК ТИПА ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ ИЗ ЗАЗВТШОИДНЬК'СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ *.

.... . I

Специальность (».16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических ваук '

Екатеринбург - 1996 (

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

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук, член-корресповдёнт академии инженерных наук Российской Федерации Чуркин Б.С.

Научный консультант - доцент,. кандидат технических наук Панчук А.Г.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Фурман Е.Л.;

с.н.с., кандидат технических наук' Дистергефт И.М. ° Ведущее предприятие - 'Уральский институт металлов.

, Защита диссертации состоится "У-3" 1996 г.

£ Т>Г часов на еаседшш диссертационного совета Д 063.14.01 при Уральском государственном техническом университете - УШ со адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19.

Автореферат разослан " 3 - 1995 г.

Ученый , секретарь диссертационного

совета Д 063.14.01, доктор J?

технических наук, профессор Н.С.Шумаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в литейном производстве серь-¡ое значение приобретает реализация новых технологий, связанных с мнением качества производимой продукции при максимально вогмож-[ экономии материальных и трудовых ресурсов. Это особенно ощутимо : изготовлении крупных отливок ответственного назначения, в част-ти, литых заготовок прокатных валков и их бандажей. Уровень экс-атационных свойств такого рода иаделия определяется в значитесь-мере качеством его рабочих поверхностных слоев и отсутствием жтов усадочного происхождения.

Высокие требования, предъявляемые к рабочему слою подобной от-ш, такие как износостойкость, равномерность механических пока-лей по бочке валка и др., связаны с формированием ее структуры оцессе затвердевания> Поэтому весьма актуальными являются ул-ение и прогнозирование литой структуры отливки. Отсутствию усадочных дефектов в теле стальной литой заготовки атного валка или его сандала соответствует достаточное питание зки расплавом. Получение мыготоннажной стальной отливки о ло-?ацией усадочных дефектов в ее прибыльной части должно соче-:я с рациональным использованием металла для достижения макси-га возможного выхода годного.

Для определения оптимальных параметров технологического про-изготовления литых заготовок прокатных валков необходимы зна-кинетике затвердевания крупных цилиндрических отливок, полу-з при изучении их формирования в многофакторной системе. {ель работы. Разработка методов оптимизации тепловых условий для управления структурообразовакием и питанием крупной ци-гческой стальной отливки ответственного назначения. 'аучная новизна. Разработана математическая модель- затвердева-металлической форме поверхностных слоев крупной цилиндричес-ааьной отливки с учетом пластических » упругих деформаций ее цевшей корочки. Разработана методика определения шагов интег-ш для решения задачи затвердевания отливки конечно-разност-юобом, позволяющая обеспечить не только устойчивость счета, необходимую точность. Получена экспериментальная зависимость величины литого верна стали 1БОХНМ от скорости охлаждения затвердевании, разработана методика определения средней ве-

личины литого зерна в поверхностных слоях крупной цилиндрической отливки из заэвтектовдной 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 тагае методика расчета геометрии усадочной раковины при формировании стальной цилиндрической отливки. На основании математического моделирования формирования усадочной раковины в полой цилиндрической отливке из стали 150ХНМ получены регрессионные выражения, позволяющие оптимизировать параметры технологического процесса для обеспечения максимально возможного выхода годного.

Практическая ценность. Проведена оптимизация параметров технологического процесса получения литых заготовок бавдакей прокатных валков из ваэвтектоидной 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-дачей прокатных валков, позволяющая повысить их эксплуатационную стойкость и снизить затраты на изготовление и механическую обра5от-ку.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований использована для разработки технологического процесса изготовления литых заготовок бандажей прокатных валков из стали 1Б0ХКМ, 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 слоя 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 теплсфизических факторов на структурообразование отливки с применением вибрации.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: "Пути повышения качества и экономичности литейных 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 ко введения, пяти глав, заключения, 13 приложений, изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 47 рисунков. Список использованной литературы включает 122 наименования.

ОСНОВНОЕ ССДЕРЕАШЕ 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 обьгкно-■венным машиностроительным имеют отличия, которые существенно влияют ка 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 имеют свои особенности и являются мало изученными.

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-

личин- литого зерна, неравномерности структуры, которые определяю ся условиями затвердевания расплава. Однако исследования кннетк затвердевания отливок проводились в основной для отливки целике что обусловило относительно низкий уровень знания по формировал ее поверхностных слоев.

Существенный вклад . в организации теплообмена хехду массива отливкой и фермой в процессе затвердевания расплава вносит его е тественная конвекция. Одпаго влияние конвекции ка условия фор!.г,:р ваша поверхностных слоев отлиьки является мало изучению,; и требу дальнейших исследований.

Тепловыми условиями слопаю изменить общую кинетику затвердев, ния массивных отливок. Формирование ке поверхностного слоя cyc.ec векно зависит от теплообмена на границе отливка-форма. Это позвал: ет управлять процесссы их формирования.

Кинетика затвердевачия оказывает влияние не только на структ} рообразование отливки, но и на ее формообразование, в частное', и, I характер и локализацию усадочных дефектов. Проведенные до настояад го времени исследования, были направлены в оснозкок ка изучение тания сплошных отливок. В связи с эти остались недостаточно изуче* пыми условия питания крупной полой цилиндрической отливки, чт усложняет изготовление литых стальных заготовок бандажей проката валков. Значимость этого вопроса повышается использованием а кг честве материала для бачдахей зазвтектокдккх сталей, обладавши больсим коэффициентом усадки при затвердевании.

Определение оптимальных параметров ■ технологического процесс изготовления лигах заготовок прокатных валков и их бандажей требуе проведения исследований кинетики затвердевания крупных цдашадркчес гак отливок. Подобные исследования в производственных условиях сея зани с дороговизной промышленного эксперимента. Поэтому наибоде з^еетивкой является разработка методов математического описания оптимизации процесса формирования отливки.

Однако современные методы численного решения задачи ззтверде вачия 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 внешни воздействий н< затвердевающий металл, которые оказываются необходишми при недостаточном влиянии тепловых условий. Эффективным способом измельчен»

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 сдоев и малыш по их протяженности.

При этом учитывалось, что формирование отдельных элементов отливок происходит в разных условиях, определяемых 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 сдоев происходит в металлической окрашенной 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 репены следующие вопросы, связанные со спецификой затвердевания крупных, массивных стальных отливок.'

Методика расчета значения коэффициента теплопередачи от отливка 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/ « ««) при. Ь р < Ь у ,

" 1 , . (1) I X кр / о кр ПРИ П р ? П у ,

где « эаз - суммарный коэффициент теплопередачи через зазор (аза? -■ «изл + / бзаз); аИэл - коэффициент теплопередачи через зазор излучением; Хзлз» *кр и Сала. - коэффициенты теплопровод-

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

Величина формирующегося газового зазора Сзаз определяется учетом пластических и упругих деформаций корочки отливки и показа] на рис.1. Расчетное выражение имеет следуюций вид:

Б заз « А Хо + & X® - Д Хп - А Ху + Д Хи , С

где Д Хо и Д X® - линейные изменения размеров отливки и формы П] изменении их температуры; Д Хп и Л Ху - величины, обусловленные о< таточной пластической и упругой деформацией корочки отлизки; ДХИ величина упругой деформации стенки металлической Форш, вызванш перепадом температур по ее толщине (принимается разным 0 ввиду м, лости ее величины по отношению к другим видам деформации при изп точении цилиндрической отливки большого диаметра).

Учитывая линейность заиоиа изменения статического напора I высоте 4орыы, можно, рассчитать в любой >:омект временя координа-

появления зазора h у по этой высоте, зная толщину затвердевшей корочки отливки 5 тк и предел текучести ее материала б т:

h У - б т • с тк / (R о • Р 1* • е) , (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 этливки с нарухш* и внутренним диаметрами соответственно 1,6 и 3,8 м и высотой 2 м показали значительную продолжительность образования зазора по высоте отливки, равную 580 е. - Очевидно, что фор-¿ирование поверхностных слоев на разных уровнях_отливки происходит 5 различных условиях. Так, расчетное время затвердевания поверх-юстного слоя на верхнем уровне отливки (без учета торцевого эффекта охлаждения) по отношению к нижнему уровню на глубине 20 мм боль-ie на 80%, а на глубине 40 мм - на 50% . Из этого следует, что при доведении анализа по степени неравномерности структурообразования гаверхностных слоев крупной отливки на разных уровнях по ее внеоте [еобходимо учитывать пластическую и упругую деформацию корочки от-:ивки под действием статического напора расплава.

Определение величины патов интегрирования. Для ресения задачи атвердевания применялся метод конечных разностей с использованием вных конечно-разностных схем.

Известно, что при измельчен™ пространственных шагов Дг и меньшею® шага по времени fit решение должно сходиться к истинному, ри этом необходимо обеспечить устойчивость расчета, условие кото-ой для явных схем вкрагается неравенством

At < Дг2 / (2 ' а), (4)

Ее а - коэйициент температуропроводности тела.

Однако условие устойчивости расчета не является достатвчш* ля достижения необходимой точности решения задачи.

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

\\ * (<П1 / dr)M - \z • (<Л2 / <ir)i. (5)

se \\ и %2 - коэффициенты теплопроводности материалов отливки и

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

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

ДГ1 / Дг2 - • (Т1 м - Тх м-1) / СХ 2 ' (Т2 2 - Т1 и» . (б)

где Лгх и Дг£ - величины шагов по отливке и форме соответственно; Т1 м и Тг 1 - температура на границе раздела (Т1 м - Тг 1); Т1 м-1 и Та 2 - значения температуры 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

Дг 1 / йг 2 - d , (7) где d « 7а i / а г . (8)

где а 1 и а 2 • 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 Art J Лгг, вычисленном в соответствии с уравнением (в), т.е. равном d.

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 и, толщина слоя - 35 мм. По расположению кривой видно, что изменение Ari / Дгг от 4,0 до О,вызывает увеличение расчетного времени затвердевания наружного слоя отливки почти на 50 Z . Точное решение задачи соответствует величине d - 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 d и только после

этого следует определять значения шагов для сопрягаемых тел (Дг1 и Дгг)• Применение методики может быть полезным и при двухмерно« ре-пении задачи для определения оптимальных значений величин пространственных патсв по телам, имеющим общие вертикальные пли горизонтальные границы.

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

Влияния' естественной конвекция на затвердевание поверхностных слоев крупной отливки. Оценка влияния естественной конвекции на затвердевание поверхностных слоев крупной отливки проводилась с учетом эффективного коэффициента теплопроводности расплава -■ ' . где ск - коэффициент пропорциональности, ' учитывающий интенсивность конвекции расплава. Расчет кинетики"затвердевания в металлической-форме статьной полой цилиндрической отливга с наружным и'внутренним диаметрами 1,6 и 0,8 м показал, что повышение интенсивности теплопереноса в подвижном обгеме отливки за счет естественной' конвекции увеличило время затвердевания наружного поверхностного слоя на глубине 20 т на 95 X, на глубине 40 мм - на 55 7. и на глубине 60 мм - на 35 X'. Это свидетельствует о необходимости учета конвекции расплава при изучении формирования поверх- ' ностных слоев 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 пере- ' сечение^ 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 решения лежит анализ теплообмена между телами, образующими угловой, узел. При этой угловая зона разделяется на квадранты. Граничное усло'вие 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 отлиьки, для которого граничное условие принимает следуюаий вид: Тэ1 - Тц - Т41 ;

для горизонтальной составляющей теплового потока

Аз' (<7Т31/с/г)■ (Дуг + ЛУ4) - (¿ии/<Зг)-Ду1 + Х4' (СЯ41/с?г)-ЛУ4 ; (9) для вертикальной составляющей теплового потока

• Шзт'йу) • Дгз + Х4 • (Л41 /с*у) • Лп -- >3 • (сЯэ1Е/с?у) • Дгэ + (Ли/йу) • Дгц (10)

где и и Т - соответственно функция Гудмена для отливки к температура для элементов формы; цифры в индексах при величинах Т и и - первая соответствует номеру тела, вторая - номеру узла; Хз и х.4 - коэффициенты теплопроводности 3-го и 4-го тела; Дгх - величина вага по координате г в телах 1 и 4; Ду4 и Ду1 - величины шагов по вертикальной координате в нижних и верхних квадрантах системы узла.

ния на время затвердевания зоны отливки:

поверхностного слоя отливки (Т), (з^, (Т) - индексы те.:

Рассматривая эти условия совместно с дифферекцкалыи:ми уравнениями теплопроводности для тел б указанных квадрантах ржохгг.у.п-ми тс-мператур тел в узле в ряды Тейлора, после преобразований получаем выражение для определения температуры в гратичксы угле. Для узла, изображенного на рис.3., расчетное выражение имеет следующий

В:

Оцк+1 - Фцк + Л1 ' (А1к + аз • В1к ' А2к) . (Ш

- Фц * Нц + Тц • В1 ; Ни и Тц - функция Кирхгофа и темлера-за углового узла отливки; В1 - величина, зависявая от координат :четного узла, шагов интегрирования и теплофизических характе-:ткк материалов сопрягаемых тел; А1 и Аг - величины, зависящие от шений температуры углового узла, смежных с ним узлов и от шагов •егрирования; Л1 и к - величина иага по времени и номер шага.

Величина температуры узла Тц определяется по известному вна-:ию Ф с использованием выражения Тц.« (Фц - Нц) / В1.

Экспериментальные данные литературных источников подтвердили кватность математической модели затвердевания отливки реальным цессач теплообмена.

Исследование влияния технологических факторов на кинетику за-рдеванкя и структуру поверхностных слоев отливки. Основой для мирования эксплуатационных свойств прокатных валков является авление структурообразовалием в процессе затвердевания отливки, ачестве определяющего фактора влияния на литую структуру приняли эость охлаждения расплава при его затвердевании V охд. В лабораторных условиях определена зависимость средней вгли-".:-литого зерна з Ср м V Схл- В качестве исследуемого материала «екялась заэвтектоидйая сталь 150ХКМ. В экспериментах обеспечить расплавление и перегрев сплава до заданной температуры и его аденне при различных тепловых условиях. При этом фиксировались :ературкые кривые охдахденкя и определялось распределение рагме-1ерка при разных скоростях охлаждения. Математическое шра>:е::ие зависимости средне;7» величины литого а от скорости охлаждения стали 1Б0ХНМ при ее затвердевании ледутадай вид:

г Ср » 19,6693 - 25,4072 * 1п (V охл) . (12)

:;:мость справедлива яра 0,1 < V « < 1 К/с. Для изучения кинетики затвердевания поверхности« слоев отлив: Фсрмярокаия лнтсй с .-руктуру по их глубине проводились глаак-« «аг.птае зксгюрженти ятя Сочки прокатного валка и бсздгад. ;тры ¡к сечек Еарькрогэтесь в следувдм пределах: 0,40...0,63 и (алка и 1,4.. .2.0 и для бандажа,

Переменными величинами являлись наружный радиус отливки, толщина стенки Форш, коэффициент теплопередачи через слой кокильно{ Краски, начальная температура формы. расчетный уровень отливки \ для бандажа - толщина стенки отливки.

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

Удовлетворительное совпадение расчетной и экспериментальной зависимости средней величины литого зерна Сочки прокатного ватка 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 на результаты расчета кинетики ее затвердевания деформации корочки 'и естественной конвекции расплава. На полное время затвердевания полой цилиндрической отливки из ааэвтектсадной 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 а*р. Однако фактор «кР оказывает активное воздействие только на начальной стадии процесса затвердевания отливки, т.е. на формирование ее поверхностных сдоев.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОТЛИВОК

математическая модель формирования усадочной, раковины. Для

зучения процессов формирования усадочных раковин в крупных цилин-рических стальных отливках разработана математическая модель, {>еа~ изуемая на ПЭВМ и позволяющая проводить исследования с учетом ши-окого спектра входных параметров.

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

Организация расчетов геометрии и локализации усадочной ракови-ы проводилась при условии отсутствия отвода тепла с ее поверхности окружающую среду, а также теплообмена в горизонтальном налравле-ии между противоположными сторонами ее поверхности. Это приемлемо ля изучения формирования цилиндрических отливок, имеющих прибыли, гртикаяьный теплоотвод от которых в окружающую среду намного мень-э горизонтального. Такие условия могут выполняться, в частности, ?и изготовлении литых заготовок прокатных валков и их бандажей гационарным способом литья с применением утепляющих смесей.

В качестве температуры Ту, определяющей образование поверхкос-i усадочной раковины в затвердевающей стальной отливке, принимаюсь температура нулевой жидкотекучести. Интенсивность опускания эовня жидкого металла dhyp / dt определяется скоростью затвердева-м отливки d* т / dt U i - доля твердой фазы в двухфазной облас-1), величиной суммарной относительной объемной усадки е v. плотью зеркала расплава F зм при известном объеме жидко-твердой зоны гливки V х-т, т.е.

dhyp / dt - <d+ т / dt) • v х-т • s v / (F w • loo) . (13)

Поскольку метод конечных разностей позволяет рассчитывать зна-;ния температуры через определенные временные интервалы At, то, »интегрировав выражение (13) при изменении величин hvp и VT cdot-Фственно на Ah ур и AVT, получили уравнение

Ah УР - £V • ÁV т / [Я • (Г зм2 - г вм2)- 1003 ' 043

[Я определения увеличения глубины формирующейся усадочной раковины полой цилиндрической отливке за время At, где г Зм и г Вм - на-жный и внутренний радиусы зеркала металла.

Изучение формирования полой цилиндрической отливки проводилось мменительно к изготовлению литых заготовок бандажей составных скатных валков.

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

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

Переменными Беляшами являлись наружный радиус отливки Ро и ее толцина С0, коэффициент теплопередачи через слой кою!льной краски й Кр, высота бандажа Нб и прибыльной части отливки Н Пр. коэффициент теплоаккумуляции материала прибыльной надставки Ь Пр-

В результате получены уравнения регрессии, вьгражащке:

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

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

Кз анализа регрессионных уравнений вытекает наибольшая зависимость приведенных показателей процесса {армирования усадочной- раковины от следующих технологических параметров:. 5 0. Н пр. <* 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 Пр при заданном коэффициенте запаса металла К ь :

н пр - Б о • СО»15 • (К Ь - Ь) /. «5 С + 0.23 , (15)

где Ь и Ь с - веййчйны. зависящие от кодированных значений факторов планируемого эксперимента.

Интервал пригодности данного уравнения находится в пределах изменения величин й о от 0,7 , до 1 м и Кь от 0,5 до 1; что обусловлено планированием эксперимента.

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

До внедрения на Уфалейсксм заводе металлургического машиностроения (УЗММ) повой технологии производство литых заготовок бандажей прокатных валков осуществлялось на разработанной УКРИЖМЕТсм центробежной малшне с вертикальной ось» вращения. Возникшие проблемы, связанные с вынужденным ограничением отливки по высоте и с больной величиной припуска на механическую обработку для низких отливок, вызвали необходимость разработки и внедрения дополнительного способа производства литьк заготовок бгадаяей, устраняющего указанные недостатга.

В качестве тагого способа был предложен метод сифонной заливки, позволяющий изготавливать высокие пустотелые цилиндрические отливки высотой и диаметром до 2 м 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 валков. Одним из важнейших параметров лигой структуры является средний размер серна б Ср. который з значительной мере определяет эксплуатационные свойства отливки. Размер литого зерна в пределах рабочего стоя бандажа гСр(5 п) дол-аек удовлетворять требовачюэ. 5СР(3 п) < з Гу. где 3 п - расстояние до поверхности стгжс!; '- задаккое, исходя из технических условий, значение размера оеряз.

Используя получэюзув ааввдмость мелду зсри усхл (12), определяем минимально долуспаг/» скорость охлаждения расплава при его затвердевавши, соответствуют вэличипе ггу. Исходя кз анализа регрессионной загискмости

Усхл - 1 / (Ь уо + Ь у! • 5 п) . (16)

где Ь уо и Ь VI - когй'яшгсптк уравнения . рогрессяи. загкеягэте ст

кодированных ентчений факторов плакируемого эксперимента; на».5ольи?с вдялгиа :п у0>и!, а следовательно. и на размер зергга оказывает «фактор о •

При задггягьк величинах у0хл, По. $о. а такхэ расчетного уровня Ь р и кулевых значениях ыдникально вдияших факторов Т02 и / К0

определяем из выражения (16) кодированное значение фактора акр' К о. где Т0г и б® - начальная температура и толщина стенки формы. Пр1 этом Ь р соответствует середине бочки литой заготовки • бандажа. Пс известному кодированному значению фактора определяется его фактическое значение «кр'Й о-

Зная коэффициент теплопроводности кокильного покрытия хкр, можно рассчитать толщину слоя краски б кр - *кр " К о / («кр'К о).

С учетом найденных значений факторов следует выполнить машинные эксперименты для определения максимального значения температур! внутренней поверхности кокиля Тгтэх- Известно, что для повышена стойкости кокиля необходимо свести к минимуму развитие пластически) деформаций в его стенке. Эго имеет место при Т&пах < 750 °С. Есл; это услсвие не выполняется, то необходимо откорректировать значение акр. Для удовлетворения требований по среднему размеру зернг целесообразно в данном случае применить дополнительное динамическо« воздействие на затвердевающий расплав, например, вибрацию.

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

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

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ УСЛОВИЙ «ОРМИРОВАНИЯ ОТЛИВКИ

Выполнено внедрение разработанной технологии изготовления литых заготовок бандажей прокатных валков из заэвтектоидной стаи 150ХНМ с наружным и внутренним диаметрами,5 соответственно 1,6 ] 0,3 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 услови на структурообразование поверхностных слоев отливки динамически воздействием. Источником дополнительного динамического воздействге служил низкочастотный пневматический вибратор типа МКВ-2М, которьл прикреплялся к верхнему торцу металлической формы и включался посл< ее заполнения. Параметры вибрации: амплитуда - 0,1...О,5 мм, частота - 20...40 Гц, продолжительность - 2 часа.

Расчетным методом определено измельчение литого зерна з поверхностном слое отливки действием вибрации приблизительно на 50 X.

Благоприятная структура рабочего слоя отливки и равномерный ее характер по всему объему заготовки, возможность изготовления высоких отливок, применение наиболее дегевого способа динамического воздействия, а также снижение трудозатрат при механической обработке позволяй провести внедрение на УЗИМ разработанной технологии. изготовления литых заготовок бандаяей прокатных валков из заззтек-тоидной стали 150ХКМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных в диссертации исследований нагло сделать следующие обобщенные ькводк:

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

- пл^тотеские и упругие деформации корочгл отливки;

- изменение величины статического напора расплава по высоте отливки;

- естественная конвекция расплава.^

2. Существенное влияние на структурообразование по глубине поверхностных. слоев отливки в металлической фсрмё оказывает действие пластических и упругих деформаций ее корочки.

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

4. Структурообразование поверхностных слоев по протяженности массивной цилиндрической отливки при затвердевании в металлической форме существенно зависит от изменения величины статического напора расплава по высоте формы. Это требует учета статического напора в высокой форме пр',1 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 п статического напора расплава. При

изучении затвердевании отливки целиком действие указанных фактор< может не учитываться.

6. Для. повышения точности расчетов решение задачи затвердев; ния поверхностных слоев отливки при литье в песчаные формы, в час ности, шейки прокатного валка, методом конечных разностей должно В1 подняться с предварительным определением оптимального отношения ш. гов интегрирования по толщине сопрягаемых тел. Только после опред< ления отношения шагов можно задавать их величины. Методика опред< ления шагов интегрирования разработана в диссертации.

7. Обработка результатов машинных экспериментов по ыоделир« ванию затвердевания поверхностных слоев крупных цилиндрических о: ливок, а также полых цилиндрических отливок целиком позволила пол: чить уравнения регрессии, положенные в основу оптимизации теплов! и геометрических параметров литья.

8. Критериями оптимальности при этом были приняты:

- средняя величина литого зерна поверхностных слоев отливки;

- равномерность структуры по глубине и протяженности повер: ностных слоев;

- глубина проникновения усадочной раковины в тело отливки;

- форма и относительный объем усадочной раковины.

9. Наиболее важными параметра«! технологического процесса : отношению к структурообразованио поверхностных сдоев отливки явл ются коэффициент теплопередачи через слой краски и расстояние -верха отливки до ее расчетного уровня. Кеньпее значение имеет то ища отливки, ее диаметр, начальная температура Форш.

10. Разработана математическая модель формирования усадочн раковины в затвердевающей полой цилиндрической стальной отливке п отсутствии теплоотвода от зеркала меТ&дла применительно к изгото лению высоких литых загртовок бандажей прокатных валков.

11. Формирование усадочной раковины 6 Полой цилиндрической о ливке при литье в металлические формы имеет наибольшую вависимос от следувдйх технологических параметров:'

- по отношению к относительному объему усадочной раковины: к зффицйент теплопередачи Через слой Краейй, толщина стенки полой п линдрической отливки;

- по отношению к пронйкащей сййСоЗнйсТи усадочной раковины тело отливкй: толщина стенки отлйвйй, Высота ее прибыльной част коэффициент теплопередачи через, слой краски и коэффициент теплоа

уляции материала прибыльной надставки. .

12. В результате машинных экспериментов получены формулы для еделения значений технологических параметров изготовления литых отовок прокатных валков и их бандажей из стали 150ХШ, обеспечи-цих заданные кинетические характеристики затвердевания и струк-у поверхностных слоев отливок, а также управление формированием дочной раковины с целью обеспечения рационального питания полых индрических отливок для повышения выхода годного.

13. Результаты математического моделирования затвердевания по-шостных слоев литой заготовки в отношении средней величины ли-э зерна могут быть определяющими по вопросу о необходимости при-;ния динамического воздействия, расширяющего возможность управ-га структурообразованием отливки.

14. Разработана и внедрена в производство на Уфалейском заводе илургического машиностроения технология изготовления высоких -очелщ цилиндрических отливок, которая позволяет с помощью ди-[ческого воздействия, дополняющего влияние тепловых условий, по-сть качественные литые заготовки бандажей прокатных валков. Сум-сий фактический экономический эффект от внедрения технологии ■авил а ие"ах 1991 г. 1218253 рублей. Доля автора - 200000 руб-

Оиновное содержание дшовубликовлао з рзботач:

1. Чурка Б.С., Ушошш В.В., 0СЙ>!СВ Л.В. О точности р^-рния чи затвердевания отливки методом конечных разностУ/Исй. »уэсэ. нос-троение. 1993. й 1. С, 112-115.

2. Б::5ра:^!о::псе зоздейстгк© на кристаллизация отвипск бандажей алией прокатных станов / А.Г.Панчук, В.В.Ушенин, Р.К.Силин, [Тсручиксз, В.Л.Денисоп/ЛТути повииения качества и экономичности йиых процессов. Одесса: ОПУ, 1993. С. 48-49.

3. Математическое моделирование затвердевания рабочего слоя зок бандгжей прокатных валков с учетом образования газового за-на границе отливка-форма/ Б.С.Чуркин, В.В.Ушенин, Ю.П.Поручи-

А.Г.Панчук/УПути повышения качества и экономичности литейных юсов. Одесса: ОПУ. 1993. С. 50-61.

4. К вопросу о решении задачи затвердевания отливки методом кых 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 B.C., 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 B.C., Ушенин В.В., Силин Р.И. Решение задачи затвердевания поверхностных слоев отливки прокатного валка методом конечных разностей//Литейное производство, 1994. № 1. С. 25-27.

7. Чуркин B.C., 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. К 10 - 12. С. 102-106.

Подписано в печать 27.03.36 Фермат 60x84 I/I6

Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,3?

Уч.т'/зд.л. 1,22 Тираж 100 Заказ 139 Бесплатно

Редакционнс-издателъский стдел УГТУ , 62GC02, Екатеринбург, f/ира, 19 Ротапринт УГТУ. 62С002, Екатеринбург, Кира, 19