Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. постановка цели и задачи исследования 19
1.1.Влияние усадочных процессов на напряженно-деформированное состояние литой заготовки .19
1.2. Податливость литейной формы 21
1.3. Моделирование процесса испарения и конденсации в сырой песчано-глинистой литейной форме 26
1.4. Тепловые условия формирования отливки .32
1.5. Взаимодействие литой заготовки с формой. Оценка трещиностойкости материала отливки 39
1.6. Сопротивление деформации материала отливки при высоких температурах 46
1.7. Силовое взаимодействие литой заготовки с формой 50
Выводы к главе 1 55
Глава 2. Разработка оборудования и методик для исследования тепловых, механических и силовых процессов в системе «отливка – форма» 58
2.1. Универсальный стенд для изучения протекания механических
и тепловых процессов при изготовлении литых изделий 58
2.2. Определение динамики движения зоны конденсации литейной
формы .63
2.3. Исследование податливости песчано-глинистых литейных форм .65
2.4. Деформация формовочной смеси. Анализ работы и экспериментальная проверка используемых датчиков перемещения .68
2.5. Измерение усилия сжатия формовочной смеси. Анализ работы
и экспериментальная проверка используемого датчика усилия .74
2.6. Устройство для определения теплоемкости формовочных мате-риалов 77
2.7. Устройтво для определения теплопроводности формовочных материалов 80
2.8. Объекты интеллектуальной собственности .84
Выводы к главе 2 84
Глава 3. Определение геометрических параметров фронта влажности сырой песчано-глинистой формы в динамике 86
3.1. Интерполяционные модели кривой испарения и конденсации 86
3.2. Экстраполяция кривых зоны влажности формовочной смеси .94
3.3. Расширение условий применения физико - аналитической модели расчета геометрических параметров фронта влажности сырой песчано-глинистой формы .99
3.4. Экспериментальная проверка расчетной модели прогнозирования геометрических параметров фронта влажности формовочной сме-си .109 Выводы к главе 3 111
Глава 4. Исследование и прогнозирование сопротивления деформации объектов системы «отливка-форма» .112
4.1. Моделирование диаграмм растяжения материала отливки .112
4.2. Моделирование сопротивления деформации углеродистых сталей в температурном интервале образования горячих трещин 119
4.3. Прогнозирование сопротивления деформации материала
ниже температурного интервала хрупкости .123
4.4. Изучение прочностных свойств песчано-глинистых смесей 131
4.5. Влияние концентраторов напряжений на прочностные свойства литейной формы .137
4.6. Изучение податливости песчано-глинистых смесей 143
4.7. Изучение сопротивления деформации сырых песчано-глинистых смесей 147
4.8. Изучение сопротивления деформации сухих песчано-глинистых смесей 156 Выводы к главе 4 162
Глава 5. Математический расчет тепловых процессов в системе «отливка-форма» .163
5.1. Применение неявных разностных схем к условиям расчета теплового поля системы «отливка-форма» .165
5.2. Тепловой расчет отливки с геометрическими параметрами тел вращения 168
5.3. Граничные условия при расчете теплопереноса в системе «отливка - форма» .171
5.4. Расчет теплоемкости сухой песчано-глинистой формы .174
5.5. Экспериментальная проверка математической модели нагрева сухой песчано – глинистой формы 177
5.6. Теплоперенос в слое сырой песчано-глинистой формы с учетом движения фронта влажности 180
5.7. Экспериментальная проверка математической модели нагрева сырой песчано-глинистой формы 186
5.8. Теплофизические свойства стальной отливки 188
5.9. Учет теплоты кристаллизации при формировании тела отливки .195
5.10. Проверка модели расчета теплового поля сырой песчано-глинистой формы .200 5.11. Программа расчета теплового поля двух сопряженных Элементов применительно к системе «отливка-форма» 204 Выводы к главе 5 206
Глава 6. Напряженно-деформированное состояние «отливка-форма». прогнозирование критических напряжений 207
6.1. Моделирование деформации литейной формы постоянной жесткости под воздействием усадочных процессов осесимметричной от-ливки 207
6.2. Моделирование деформации в системе «отливка-форма» при переменной жесткости сжимаемого слоя 210
6.3. Определение внутренних усилий при асимметричных элементах затруднения 214
6.4. Расчет деформаций системы «отливка-форма» при внедрении элементов затруднения различной конфигурации .220
6.5. Определение напряжений при упругопластическом дефор-мировании 228
6.6. Определение главных напряжений при затрудненной усадке стенки отливки 233
6.7. Определение усадочных напряжений на примере стенки стальной отливки из стали 25 Л 237
6.8. Температурные деформации в стенке отливки 246
6.9. Экспериментальное определение критических деформаций
при температурном градиенте в стенке отливки 250
6.10. Расчет температурных напряжений .255
6.11. Определение главных напряжений при температурном градиенте в стенке отливки 259
6.12. Определение напряжений в отливке при формировании ее
полости цилиндрическим стержнем 262 6.13. Определение главных напряжений при формировании полости отливки цилиндрическим стержнем .270
6.14. Определение коэффициентов трения в трибологической паре «отливка - песчано-глинистая форма» 272
6.15. Напряжения в формирующейся стенке отливки .284
6.16. Напряженно-деформированное состояние формирующейся корки отливки при затрудненной усадке 285
6.17. Напряженно-деформированное состояние формирующейся корки отливки при свободной усадке 286
6.18. Практические расчеты напряженно-деформированного состояния отливки 290 Выводы по главе 6 .304 Общие выводы по работе .305
Библиографический список
- Моделирование процесса испарения и конденсации в сырой песчано-глинистой литейной форме
- Деформация формовочной смеси. Анализ работы и экспериментальная проверка используемых датчиков перемещения
- Расширение условий применения физико - аналитической модели расчета геометрических параметров фронта влажности сырой песчано-глинистой формы
- Влияние концентраторов напряжений на прочностные свойства литейной формы
Введение к работе
Актуальность работы. В изделиях машиностроения доля литых деталей может достигать 65%. Экономическая эффективность работы литейных предприятий напрямую связана с себестоимостью выпускаемой ими продукции, снижение которой значительно повысит конкурентоспособность товаров для машиностроительного производства.
Одним из значимых факторов, влияющих на ресурсо- и энергосбережение, а следовательно, и себестоимость литейного производства, является снижение брака получаемых отливок по горячими и холодным трещинам, а также короблению. Среди вышеперечисленных дефектов одним из самых сложнопрогнозируемых является брак по горячим трещинам. Причиной возникновения горячих трещин фасонного литья является торможение формой или стержнями свободной линейной усадки отливок во время их затвердевания и, как результат, появление критических деформаций растяжения. Несмотря на простоту и полное понимание механизма возникновения таких напряжений, предупреждение образования горячих трещин остается актуальной проблемой для литейщиков. Использование неподатливых форм и стержней, необходимость уменьшения толщины стенок отливок - все это может привести к образованию критических напряжений и, как следствие, трещинообразованию в литой заготовке.
На склонность сплава к образованию кристаллизационных трещин, как и склонность к любому другому разрушению, решающее влияние должны оказывать механические свойства системы «отливка - форма» в целом. Поэтому при анализе горячеломкости основное внимание необходимо обратить на изучение механических свойств и закономерности упругой и пластической деформации и разрушения сплавов в тврдожидком состоянии. Анализ горячеломкости нельзя свести к изучению только механических свойств материала отливки. Особое внимание следует обратить на тепловые процессы получения литой заготовки. Тепломассоперенос в песчано-глинистой литейной форме (ПГФ), усадочные процессы, температурное разупрочнение песчано-глинистой смеси - все это связано с воздействием теплового потока отливки и в конечном итоге сказывается на напряженно-деформированном состоянии литой заготовки.
В настоящее время, несмотря на существенную компьютеризацию отечественных промышленных предприятий, прогнозирование горячеломко-сти отливки основывается на опыте практических знаний, полученных технологами литейных заводов, сложившихся технических и технологических традициях, основанных на методах проб и ошибок. Анализ существующих работ показал, что в настоящее время в теории и практике литейного производства можно выделить три основных направления оценки возможного трещинообразования в отливке:
оценка по технологическим литейным пробам (Н.F. Hall, J. Middle-ton, Л.А. Щегловитов, В.Л. Шагалов, Б.А. Кулаков и др.). Любая технологическая проба на горячеломкость, как бы хорошо она не была приспособлена к условиям конкретной производственной задачи, не может в чистом виде выявить те элементарные процессы и соответственно те «составные» свойства сплава, комплекс которых определяет его трещиноустойчивость;
критериальная оценка горячеломкости (А.А Бочвар, Н.И. Прохоров, К.Н. Вдовин, Л.П. Каширцев, С.И. Рыбачук и др.). Такая оценка строится на
4 основе научного знания о физических и механических параметрах отливок различной конфигурации. Критерии могут быть как обобщенные, так и для оценки трещиностойкости конкретной отливки. Такая оценка построена на основании анализа физических процессов в самой отливке и не учитывает взаимодействие элементов системы «отливка – форма» в целом;
математическая оценка силового взаимодействия отливки и формы (Б.Б. Гуляев, Г.Ф. Баландин, Ю.А. Степанов, А.П. Трухов, Л.С. Константинов, Ю.С. Гомельский, В.В. Десницкий и др.). Наиболее перспективными способами прогнозирования критического состояния отливки следует считать математические методы анализа технологических процессов при использовании существующих устройств ПЭВМ. Однако математическая оценка вероятности трещинообразования затруднена температурными условиями образования горячей трещины. При этом ее применение требует тщательного изучения граничных условий формирования напряженно-деформированного состояния системы «отливка-форма», связанного с получением новых знаний по сопротивлению деформации отливки и формы, изучением тепловых и физических процессов, протекающих в них, оценки влияния химического и компонентного состава взаимодействующих элементов рассматриваемой системы.
Разработка методики расчета критических напряжений в стенке отливки на основе изучения граничных условий их формирования является весьма актуальной задачей.
Объект исследований в диссертации - система «отливка-форма». Предметом исследований являются граничные условия формирования напряженно-деформированного состояния в системе «отливка-форма», а также методы, способы определения и оперативного управления критическим напряженным состоянием, возникающим при образовании горячей трещины вследствие силового взаимодействия отливки с формой.
Исследования по диссертационной работе проводились при поддержке конкурса научных проектов ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Федерального агентства по образованию (шифр ГБ1 - 05 ВНП) 2005 г., национальных конкурсов инновационных проектов «100 молодых инновационных лидеров России» 2011, 2012гг., конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области 2012г., Министерства образования и науки РФ в форме субсидии на выполнение госзадания (соглашение №2014180 2014-03ГЗ) 2014г.
Цель диссертационной работы состоит в создании методологических основ оценки и прогнозирования напряженно-деформированного состояния системы «отливка - форма» для устранения горячих трещин в теле отливки.
Для достижения поставленной цели требуется последовательное решение следующих задач:
-
Разработать методологию оценки комплексного влияния граничных условий на формирование напряженно-деформированного состояния стенки отливки, приводящего к нарушению сплошности в ней.
-
Разработать адекватный математический аппарат, по прогнозированию формирования и изменения геометрических параметров фронта влажно-
5 сти в сырой песчано-глинистой форме в динамике, обеспечивающий определение механических свойств слоя формовочной смеси, затрудняющего усадку литой заготовки.
-
Исследовать деформационные процессы поведения под нагрузкой сырых и сухих формовочных смесей, создать математический аппарат прогнозирующий сопротивление деформации слоя формовочной смеси в зависимости от изменения его физического и теплового состояния, а также компонентного состава, что позволит определять динамику развития напряженно-деформированного состояния отливки при взаимодействии с формой.
-
Для определения критических напряжений, приводящих к нарушению сплошности тела отливки, разработать математический аппарат по прогнозированию сопротивления растягивающей деформации материала отливки на основе исследования механических характеристик сталей различного химического состава в различных температурных условиях.
-
Для обеспечения количественной оценки затрудненной усадки, обусловленной тепловым взаимодействием отливки и формы, разработать математический аппарат, обеспечивающий прогнозирование влияния теплот кристаллизации и парообразования на температурное поле системы «отливка-форма», на основе синтеза этих математических моделей с современными методами определения температурных полей адаптировать математический аппарат расчета теплового взаимодействия литой заготовки с формой.
-
На основе проведенных исследований разработать математический аппарат расчета напряженно-деформированного состояния фасонных отливок в зависимости от ее геометрических параметров, теплового состояния, химического состава, а также компонентного и физического состояния взаимодействующего с отливкой слоя формовочной смеси.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Теоретически обоснованы граничные условия формирования напряженно-деформированного состояния системы «отливка-литейная форма» и разработана методология комплексной его оценки для предотвращения образования горячих трещин в температурном интервале хрупкости.
-
На основе анализа экспериментальных исследований влияния совокупности факторов на напряжения и деформации в теле отливки, возникающих при действии внешних сил, определены количественные показатели и расширена база данных по сопротивлению деформации и пределу прочности сухой и сырой песчано-глинистой формы из смесей различного состава.
-
С использованием разработанной математической модели процесса получены новые данные об изменении геометрических параметров фронта влажности во времени, распределенного по толщине песчано-глинистой литейной формы под воздействием тепла кристаллизующейся и охлаждающейся отливки.
-
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что вид, геометрия и протяженность переувлажненной зоны песчано-глинистой формы зависит от условий ее формирования – начальной влажности, плотности набивки, величины высохшего слоя.
6 5. Создан и апробирован математический аппарат количественной оценки силового взаимодействия отливки и формы, включающий прогнозирование динамики изменения геометрии фронта влажности сырой ПГФ, анализ температурного поля системы «отливка-форма», учитывающий временное сопротивление сжатию сырых и сухих слоев смеси и позволяющий в интервале образования горячих трещин в отливках рассчитать усадочные напряжения от деформации растяжения и изгиба, а также температурные, окружные и радиальные напряжения при силовом взаимодействии отливки со стержнем с целью определения напряженного состояния стенки отливки приводящего к браку по горячим трещинам в ней.
Теоретическая значимость работы состоит в следующем:
разработана новая методология аналитической оценки напряженно-деформированного состояния системы «отливка – форма», позволяющая произвести количественный анализ и выявить наиболее значимые составляющие полного напряженного состояния, приводящего к нарушению сплошности в теле отливки при ее силовом взаимодействии с формой;
получены новые данные по влиянию компонентного состава и физического состояния слоя формовочной смеси на его механические свойства, обуславливающие сопротивление среды усадочным процессам, возникающим в отливке при ее получении;
разработаны новые аналитические методы прогнозирования сопротивления деформации сырых и сухих песчано-глинистых форм, позволяющие в динамике оценить развитие напряженно-деформированного состояния отливки при ее силовом взаимодействии со слоем формовочной смеси переменной жесткости различного компонентного состава;
получен новый метод оценки сопротивления растягивающим деформациям углеродистых сталей, обеспечивающий в совокупности со знаниями о податливости формовочных смесей прогнозирование развития напряженно-деформированного состояния стенки отливки, приводящего к образованию горячей трещины в ней;
разработан математический аппарат, обеспечивающий адекватное прогнозирование формирования геометрии фронта влажности в слое формовочной смеси, влияющей на сопротивления деформации формы вследствие значительного изменения ее податливости;
получены аналитические выражения количественной оценки влияния теплот испарения и конденсации в системе «отливка-форма» при определении температурных полей в ней, обеспечивающие прогнозирование усадочных процессов, приводящих к возникновению критических напряжений;
на основе анализа и применения новых граничных условий задачи о силовом взаимодействии литой заготовки с формой разработаны адекватные методы расчета напряженно-деформированного состоянии системы «отливка-форма», обуславливающие определение наиболее значимых составляющих полного напряженного состояния при образовании горячей трещины в теле отливки.
7 Практическая ценность работы заключается в том, что применение полученных теоретических и практических разработок позволяет оценить напряженно-деформированное состояние литой заготовки в процессе ее получения, выявить и изменить технологические параметры изготовления отливки с целью снижения вероятности образования горячих трещин. Практическим результатом работы является:
-
Созданный пакет прикладных программ, обеспечивающий прогнозирование граничных условий формирования напряженно-деформированного состояния системы «отливка-форма» (свидетельства о регистрации государственных программ для ЭВМ № 2010614713, 2010614714, 2012616405, 2012661211, 2013610294, 2014618589).
-
Новые устройства и способы оценки условий формирования напряженно-деформированного состояния литой заготовки, новизна которых подтверждена патентами на изобретения и полезную модель (патенты РФ на изобретения № 2461805, 2554324, патент РФ на полезную модель № 110309).
-
Уменьшение брака по горячим трещинам крупногабаритной литой заготовки «Шлаковая чаша» выпускаемой на ЗАО «Механо-ремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
-
Практические рекомендации для ООО «НПО СТАНКОСТРОЕНИЕ» г. Стерлитамак, заключающиеся в корректировке геометрических параметров литой заготовки отливки «Колонна», для устранения брака по горячим трещинам в ней.
-
Использование материалов диссертационных исследований в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» в виде методических указаний, лабораторных работ, научно-исследовательской работе бакалавров и магистров по направлениям 22.03.02, 22.04.02, 150900 и дипломированных специалистов по специальности 150201.
Методология и методы исследования. Теоретические и практические исследования сопротивления деформации материалов под действием внешних нагрузок и температурного воздействия внешней среды выполнены на основе методов сопротивления материалов с использованием специальных лабораторных стендов и регистрирующей аппаратуры. В работе использованы статистические и нейросетевые методы анализа и обработки экспериментальных данных с применением современной вычислительной техники.
На защиту автором выносятся:
-
Методология аналитической оценки напряженно-деформированного состояния системы «отливка-форма», возникающего вследствие усадочных процессов и приводящего к нарушению сплошности в теле литой заготовки.
-
Метод математического прогнозирования геометрических параметров зон испарения и конденсации фронта влажности сырой песчано-глинистой формы, опирающийся на прогнозирование теплового взаимодействия отливки с формой.
-
Новые результаты исследований по механическим и деформационным свойствам отливки и литейной формы, в том числе:
количественные показатели временного сопротивления сжатию и метод прогнозирования их для сырых и сухих песчано-глинистых смесей различного компонентного состава;
количественные показатели сопротивления деформации и метод прогнозирования их для сырых и сухих песчано-глинистых формовочных смесей при изменении компонентного состава в различных температурных условиях;
методы оценки сопротивления деформации литейных сталей в температурных условиях возникновения горячих трещин;
математические модели по прогнозированию механических и теплофи-зических свойств материала отливки.
-
Способ прогнозирования температурного поля отливки затвердевающей в широком интервале кристаллизации при тепловом взаимодействии как с сухой, так и сырой песчано-глинистой литейной формой, основанный на анализе тепловых и физических процессов в сырых и сухих ПГФ.
-
Принципы определения напряженно-деформированного состояния системы «отливка- форма», основанные на изучении и математическом моделировании силового взаимодействия литой заготовки различной конфигурации и слоя песчано-глинистой смеси переменной жесткости.
Достоверность и обоснованность результатов и научных выводов работы обеспечены применением комплекса стандартных и современных методов исследования: количественного анализа с применением математических методов обработки данных; согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов; большим объемом выполненных экспериментов и их воспроизводимостью; отсутствием противоречий с теоретическими и практическими знаниями, полученными другими исследователями; проведением опытных и промышленных экспериментов, подтверждающих теоретические выкладки автора.
Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором и при его непосредственном участии. Автору принадлежат идеи в определении цели, постановке задач исследования, методов и способов реализации их, интерпретации полученных результатов, формулировке основных положений и выводов. Организация промышленного внедрения результатов работы осуществлена в равной степени с соавторами.
Апробация результатов работы. Основные положения материалов диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях различного уровня: VII Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2008, 2011 гг.), Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2009 г.), Международный промышленный форум «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2009, 2010гг.), Международная научно-техническая конференция «Современные информационные технологии» (Пенза, 2009 г.), Седьмая международная научно-техническая конференция «Современная металлургия нового тысячелетия» (Липецк, 2010 г.), VI Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010 г.), Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машино-
9 и приборостроении» (Омск, 2010 г.), Седьмая международная научно-техническая конференция «Современные инсрументальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2010 г.), Международная конференция, посвященная 15-летию со дня создания РУО АИН «Инженерная поддержка инновации и модернизации» (Екатеринбург, 2010 г.), III Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2011г.), V Международная научная конференция «Научный потенциал XXI века» (Ставрополь, 2011 г.), Международная научно-практическая конференция «Закономерности и тенденции развития науки в современном обществе» (Уфа, 2013 г.), I Международная заочная научно-практическая конференция «Современные проблемы теории машин» (Новокузнецк, 2013), XIII международная научно-практическая конференция «Теория и практика современной науки» (Москва, 2014 г.), XV International Scientific Conference “New technologies and achievements in mmetalurgy, material engineering and production enegineering” (Czestochowa. Pоland, 2014, 2015 y.), Proceedings of the 5th International scientific conference «European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences» (Vienna, Austria.
2014 y.), Межрегиональная научно-техническая конференция Магнитогор
ского государственного технического университета им. Г.И. Носова (Магни
тогорск, 2004, 2008-2011, 2013гг.), XIX международная научно-практическая
конференция «Металлургия: технологии инновации качество» (Новокузнецк,
2015 г.), Международная научно-практическая конференция «Итоги научных
исследований» (Москва, 2015 г.), XII съезд литейщиков. V форум BRICS
«Литье - 2015» (Нижний Новгород, 2015 г.), Международная научно-
практическая конференция «Актуальные вопросы в научной работе и обра
зовательной деятельности» (Тамбов, 2015 г.), VIII международная научно-
практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии» (Москва,
2015 г.).
Публикации. Материалы диссертации отражены в 52 публикациях: 15 статей из перечня, рекомендованного ВАК РФ, в других изданиях - 37 работ. Опубликовано 2 монографии, получено 2 патента на изобретение, 1 на полезную модель, 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ПЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, приложений, списка использованной литературы из 353 наименований, изложена на 396 страницах, включает 185 рисунков, 31 таблицу.
Моделирование процесса испарения и конденсации в сырой песчано-глинистой литейной форме
Одним из наиболее характерных факторов, сопутствующих формированию отливок, следует считать процесс усадки литой делали при затвердевании и охлаждении ее в форме. Вследствие уменьшения размеров детали, в ней появляются горячие трещины, которые возникают при так называемом торможении формой литейной усадки. В результате этого торможения в отливке и в форме возникают напряжения, которые при определенном сочетании свойств отливки и формы -прочности, механических характеристик материала, общей податливости ПГС могут вызвать разрушение отливки [1]. Таким образом, процесс возникновения напряжений в литой заготовке является следствием взаимодействия двух элементов системы «отливка-форма», один из которых - отливка - сокращает свои размеры вследствие усадки, другой - форма - сопротивляется этому сокращению [2]. И здесь, как отмечал Б.В. Кнорре [3], особую роль в предотвращении возникновения горячих трещин играют механические свойства кристаллизующейся стали, а также способность ее к усадочным деформациям.
Математически оценка деформаций, способных вызвать разрушение материала отливки, может быть отображена следующим выражением [4]: ак =Єп+Єу_(Єс_Єз); (1.1) где ек - критерий оценки склонности металла к образованию трещин, выраженный через относительные величины, %; еп - предельная пластическая деформация, %; sy - предельная упругая деформация, %; еп+ sy предельная деформационная способность металла, %; ес - свободная усадка, %; є3 - затрудненная учадка, %; sc - є3- вынужденная деформация при затрудненной усадке, %.
Линейную усадку считают усадкой в твердом состоянии, однако следует иметь в виду, что линейная усадка начинается в температурном интервале кристаллизации [5] и вызвана термическим изменением линейных размеров кристаллов [6]. Необходимо отметить, что в литературе вопрос о предусадочном расширении стали дискуссионный. По данным Нехендзи Ю.А. [7], у стали с содержанием углерода выше 0,2% наблюдается предусадочное расширение (до 0,15%). По данным Горюнова [8], предусадочное расширение стали 0,01%. В противоположность этому Клочнев Н.И. [9] считает, что при охлаждении углеродистой стали отсутствует первоначальное предусадочное расширение.
Различают усадку сплава и усадку отливки. Первую определяют на образцах постоянного сечения, вторую - после обмера реальных моделей и отливки по формулам = м 100 . Q 2) v l Lм где Vм, lм - соответственно объем и размер формы (модели), залитой жидким металлом; v, l - объемная и линейная усадки; Vо, lо - соответственно объем и линейный размер отливки после полного охлаждения. В реальной форме усадка отливки является результатом не только сокращения металла при охлаждении, но и влияния силового и теплового взаимодействия отливки и формы. Жидкий металл деформирует форму, вызывая увеличение размеров отливки [10]. В этом же направлении действует тепловое расширение фор 21 мы. Особенно значительное влияние эти явления оказывают на усадку отливок, изготовленных литьем в сырые формы [11, 12].
Следует отметить, что изучение усадочных процессов происходит в основном экспериментальными способами путем создания специального оборудования или литейных проб [13-16] либо путем исследования усадочных процессов на реальных отливках [17-20]. Однако все чаще используются расчетные методы прогнозирования усадки сплава [21-23 и др.], а также усадки и деформации отливки [24, 25], вследствие чего разрабатываются методы предотвращения негативного влияния усадки на процесс образования здоровой отливки [26].
Таким образом, образование горячих трещин происходит в результате многофакторного силового взаимодействия в системе «отливка-форма» под воздействием затрудненной усадки, происходящей при охлаждении литья. Особенное внимание при рассмотрении данного процесса должно быть уделено расчетным методам анализа силового взаимодействия отливки и формы, основанным на изучении изменяемых в динамике механических свойств системы.
Одним из факторов, определяющих вероятность образования горячих трещин, является способность нагретой смеси деформироваться под определенным давлением (податливость формы), т. к. ее деформационная способность связана с торможением усадки и, следовательно, с возникновением напряжений в отливке [27, 28]. Кроме того, торможение усадки формой приводит к последующему снижению прочностных и пластических свойств стали [29].
Для моделирования возникновения напряженного состояния литейной формы требуется изучение свойств формовочных смесей в зависимости от их компонентного состава и температурных условий. В работах [30, 31] проведены исследования по определению предела прочности на сжатие формовочных смесей различного компонентного состава. В работе [32] показаны механизмы и условия разрушения формовочных смесей. Однако практическое применение этих данных затруднительно ввиду того, что слой ПГФ в форме испытывает всестороннее сжатие под воздействием усадочных процессов отливки, поэтому предел прочности смеси в форме значительно превышает пределы прочности на образцах, полученных в лабораторных условиях. Практически более ценным следует считать исследования упругих [33] и упругопластических [34-37 и др.] свойств образцов формовочной смеси, боковые поверхности которых ограничены в пространстве.
При изучении деформационной способности ПГС следует учитывать, что огромное влияние на податливость формовочных смесей оказывает зона конденсации, постоянно изменяющая свои геометрические параметры под воздействием теплового поля потока отливки [38]. В работе [27] проводились эксперименты по моделированию процесса деформации формовочной смеси под воздействием круглого металлического штампа. При этом принималось условие упругой деформации исследуемой среды. По полученным результатам, а также используя решение задачи о деформировании упругого полупространства жестким круглым штампом [39] в работе [11] разработаны формулы и определения осадки и модуля упругости материала, которые могут быть использованы в дальнейших инженерных расчетах.
Деформация формовочной смеси. Анализ работы и экспериментальная проверка используемых датчиков перемещения
Процесс изготовления литого изделия является достаточно сложным и трудоемким, требующим точного соблюдения различных технологий: изготовления формы, соблюдения температурных параметров и состава стали, геометрических характеристик изделия и т. д. Разработка технологии изготовления каждого вида изделия производится индивидуально. При этом должно учитываться множество факторов и взаимосвязей между ними. К основным факторам относятся химический состав материала детали, максимальные температурные напряжения, возникающие в процессе затвердевания и охлаждения изделия, механические характеристики литой заготовки, вид и свойства формовочной смеси, такие как податливость, влажность, компонентный состав и др. Все это значительным образом влияет на конечные служебные свойства изделия [204].
Проведение исследований процессов, происходящих в момент заливки материала в форму, поведение сплава в процессе кристаллизации и охлаждения, а также анализ напряженно-деформированного состояния системы «отливка-форма» ввиду их кратковременности и сложности измерения вызывает достаточно большие трудности. В большинстве случаев процессы, происходящие в начальный период формирования отливки, определяют качество полученного литья. Исследование и количественное измерение параметров данных процессов позволит предложить целенаправленное решение по разработке технологии изготовления качественного изделия.
Для этих целей был разработан универсальный стенд [205], позволяющий в динамике (во времени) производить измерение основных параметров процессов, протекающих при изготовлении литого изделия, начиная с момента заливки материала в форму и заканчивая охлаждением детали.
Стенд представляет собой комплекс технических средств, в основу которого входит многоканальный внешний аналого-цифровой преобразователь Е-14-140 фирмы L-CARD (Россия), подключаемый к персональному компьютеру через USB-интерфейс. Характеристики преобразователя приведены в таблице 2.1.
Модуль Е-14-140 предназначен для построения многоканальных измерительных систем сбора аналоговых данных. Основным достоинством данного типа преобразователя является высокая частота опроса каналов аналогового ввода, позволяющая отслеживать динамику быстротекущих процессов, возможность подключения источников сигнала по дифференциальной схеме для устранения помех, возникающих в линиях связи, и большое количество входов, позволяющих вести одновременный контроль и запись сигналов. Сигнальная земля
Кроме того, данный преобразователь сертифицирован как средство измерений Федеральным агентствам измерений и метрологии и зарегистрирован в Государственном реестре РФ средств измерений.
В качестве источников сигнала могут быть использованы любые источники, ЭДС которых соответствуем диапазону входных сигналов (см. таблицу 2.1).
В качестве датчика усилий сжатия использовалась месдоза, датчика измерения перемещений - упругая стальная пластина, способная работать без пластических деформаций в достаточно большом (± 150 мм) интервале перемещений.
Для обоих датчиков использовались одинаковые тензометрические преобразователи 2ФКПА-10-50ХВ сопротивлением 46 Ом, чувствительностью S=2,14. Напряжения мостовых схем составляет 5 В. Максимальный выходной сигнал мостовой схемы лежит в диапазоне ± 10 mV. Такая низкая величина выходного сигнала требует предварительного усиления перед подачей на измерительные входы преобразователя. В качестве усилителя был выбран специализированный усилитель сигналов тензомостов AD 8555 с программируемым коэффициентом усиления по постоянному току в диапазоне от 70 – 1280. Схема подключения моста к усилителю приведена на рисунке 2.2.
Подключение датчиков измерения температуры – термоэлектрических преобразователей - термопар возможно непосредственно к измерительному преобразователю, без каких-либо промежуточных элементов [206].
Для питания тензомостов, усилителей и датчика влажности был использован стабилизатор напряжения, собранный на специализированной схеме КР 142 ЕН 12А .
Стабилизатор напряжения может питаться как от сети, так и от аккумулятора, что делает комплекс мобильным, позволяющим проводить измерения в «полевых условиях». Общая структура комплекса технических средств представлена на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 - Структурная схема комплекса технических средств измерительного стенда для исследования параметров процесса получения литых изделий Для управления стендом была написана программа для ПЭВМ [207, 208], ко торая позволяет вести контроль сигнала с каждого канала, записывать процесс измерения в файл для дальнейшей обработки с помощью электронных таблиц Mi crosoft Excel, устанавливать коэффициент усилия и диапазон входных сигналов преобразователя, проводить предварительную статистическую обработку входных сигналов с целью фильтрации помех. По разработанной программе получено свидетельство о государственной регистрации [208] (приложение А). Окно программы показано на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 - Окно программы управления стендом Разработанный комлекс используется для изучения процессов, протекающих в ходе получения литой заготовки. Небольшие габариты и вес комплекса позволяют проводить измерения непосредственно на объекте получения литых изделий. В результате работы комплекс показал свою универсальность и удобство использования [209-212 и др.].
Расширение условий применения физико - аналитической модели расчета геометрических параметров фронта влажности сырой песчано-глинистой формы
При описании динамики изменения напряженного состояния литой заготовки необходимо использование данных по сопротивлению деформации сплава отливки. В настоящее время существует ряд моделей [166 - 185], применяемых в прокатном производстве, позволяющих определять напряжения в материале в зависимости от химического состава сплава, деформации и скорости деформации, температурных условий деформирования. Использование данного математического аппарата при исследовании возникающих напряжений в теле отливки затруднено ввиду того, что рассмотренные модели прогнозируют напряжения в температурных интервалах значительно ниже интервалов образования горячих трещин. Кроме того, данные модели созданы для расчета напряженно-деформированного состояния объектов при работе на сжатие, в то время как образование трещин в отливке происходит при возникновении критических растягивающих напряжений. Модели, отраженные в источниках [166 - 185], не учитывают упругую составляющую диаграммы растяжения ввиду невысоких (в температурных интервалах их работы) значений упругих деформаций. Между тем напряжения в упругой зоне достаточно сильно влияют на силовые процессы в системе «отливка-форма», особенно при использовании песчано-глинистых смесей, имеющих повышенную податливость. В температурном интервале хрупкости упругие деформации зачастую не ниже пластических. Поэтому требуется простой математический аппарат, позволяющий с достаточной точностью описывать сопротивление деформации сплава как в упругой зоне, так и в области пластического деформирования.
Сложность моделирования процесса заключается в следующем:
1. Диаграмма растяжения условно состоит из двух отдельных участков -зоны упругой деформации и зоны упрочнения, каждая из которых описывается отдельными функциями.
2. Вид кривой зоны упрочнения и угол наклона прямой пропорциональности у всех материалов различен.
Таким образом, для описания сопротивления деформации материала требуется использование кусочно-непрерывной функции, описывающей упругую и пластическую зоны деформации с координатой пересечения, соответствующей началу площадки текучести (т т). стпласт=/пласт (є); єТ є єв, ( где опц - напряжения прямой пропорциональности (упругая деформация), МПа; Ошаап - напряжения на кривой упрочнения (пластическая деформация), МПа; є - относительная деформация материала, %; ет - относительная деформация, соответствующая началу площадки текучести, %. Модель, обеспечивающую прогнозирование напряжений при деформации материала, строили на основе функции активации - гиперболического тангенса, применяемой при создании искусственных нейронных сетей [254], которая в общем виде записывается как f() = е (4 2) где є - относительная деформация сплава.
Данное выражение является составной частью фильтра, регламентирующего поочередную работу функций (4.1) в требуемых интервалах. Однако корректная работа данного фильтра возможна лишь при условии достаточно большого степенного показателя п (рисунок 4.1), точный расчет которого будет показан ниже. При значении степенного показателя п=50 обеспечивается требуемый вид диаграммы. Приняв за точку пересечения функций абсциссу єт, запишем формулу (4.2) как
Для описания сопротивления деформации сплавов различного химического состава, в динамично изменяемых температурных условиях нагружения, требуется создание моделей, учитывающих данные факторы. При этом следует отметить, что химический состав стали, а также температурные условия деформирования значительным образом влияют на форму кривой упрочнения и угол наклона прямой пропорциональности, что представляет значительные трудности в моделировании процесса. В работе [257] предложено описывать зоны пластической и упругой деформации прямыми (рисунок 4.4), приняв за точку пересечения начало площадки текучести єт, либо деформацию, соответствующую условному пределу текучести е0,2. Возможность такого решения авторы оценивали путем сравнения удельных работ внутренних сил, полученных путем интегрирования экспериментальных кривых растяжения сплавов на основе железа по формуле [258] где Aуд - удельная работа внутренних сил, Дж/м3, 0,2, єв - деформации, соответствующие условному пределу текучести и пределу прочности соответственно, %; полученные путем интегрирования как экспериментальных диаграмм растяжения Ауэ дксп, Дж/м3, так и аналогичных диаграмм описанных прямыми Аурдасч, Дж/м3, сведены в таблицу 4.1. Оценку сходимости данных осуществляли по величине относительного отклонения со %. а,OR і ґ ав-(0,2 О0,2 О пласт /)Е 0,2 AY І в Рисунок 4.4 - Схема к расчету диаграммы растяжения стали и этих же диаграмм, зоны упругой и пластической деформации которых описывались прямыми. Для расчета использовали экспериментальную базу по диаграммам растяжения сталей и сплавов на основе железа, полученных в различных температурных условиях [255]. Исследуемые диаграммы растяжения показаны в приложении Н.
Влияние концентраторов напряжений на прочностные свойства литейной формы
Заливку производили в сухую ПГФ, высушенную при температуре 210 С, с последующим охлаждением до комнатной температуры. Изменение температурных полей по сечению формы фиксировалось при помощи хромель-алюмелевых термопар, температура границы «отливка-форма» фиксировалась вольфрам-рениевыми термопарами (ГОСТ 3044 - 84). Схема замера представлена на рисунке 5.7.
Плотность формы определялась путем ее взвешивания, определения массы ПГС и ее объема. Теплопроводность определяли на установке (п. 2.7), при этом плотность исследуемого образца была аналогична плотности исследуемой ПГФ.
Используя неявную разностную схему (п. 5.1), рассчитали тепловое поле сухой песчано-глинистой формы во времени. При этом для точности расчета учитывали изменение коэффициента конвективной теплоотдачи по формуле (5.23), теплоемкости формы – по формуле (5.27).
Достаточная сходимость опытных и расчетных значений температурных кривых (см. рисунок 5.9) говорит нам об адекватности применяемой модели для отображения процесса изменения температурного поля сухой ПГФ. Следовательно, данную модель можно рекомендовать для расчета охлаждения сухой песчано-глинистой формы.
Математический расчет теплового поля сырой ПГФ осложнен процессами миграции влаги в слое смеси. Для учета в вышеописанном методе конечных разностей теплозатрат на нагрев и испарение влаги требуется рассмотрение теплового баланса слоя сырой ПГФ. Так, тепло Q, затраченное на прогрев сырого слоя формы, раскладывается на следующие составляющие: Q = QCM+ Qeodu + Qucn , (5.28) где QCM- тепло, затраченное на прогрев слоя смеси, Дж/кгсмеси; Qeodu - тепло, затраченное на нагрев воды, Дж/кгсмеси; Qucn - тепло, затраченное на парообразование, Дж/кгсмеси.
Тепло, затраченное на нагрев /-го слоя смеси, в первом приближении может быть найдено при применении выражений (5.26), (5.27).
Одним из наиболее сложных вопросов при расчете температурного поля сырой ПГФ является учет теплоты парообразования Qucn при высыхании слоя смеси под воздействием теплового потока отливки.
Учет данного эффекта в математическом моделировании теплового состояния возможен за счет изменения в сторону увеличения теплоемкости формы на температурном интервале (Тисп - Т0), чтобы выполнялось равенство РФормы, РсуХ - начальная плотность формы и плотность сухого слоя смеси при полном испарении влажности, кг/м3. Особенность применяемого метода расчета теплового поля (п. 5.1) в том, что уменьшение расчетных временных и пространственных интервалов ведет к увеличению точности прогноза, поэтому в большинстве случаев принимаемые пространственные интервалы, при моделировании теплового поля данным методам, на порядки меньше толщины всего слоя формы. Это дает нам основание предполагать, что в первом приближении вид функции распределения добавочной теплоемкости по толщине единичного пространственного интервала незначительно влияет на конечный результат расчета. Однако выбранная функция должна учитывать распределение добавочной теплоемкости так, чтобы ее значение в точке полного испарения влажности Тисп было равно нулю. Исходя из этого условия, в качестве функции распределения было выбрано следующее выражение [296]: обеспечивающее требуемый качественный характер распределения (рисунок 5.10). Действительно, максимальное количество энергии при нагреве и испарении влаги затрачивается в начальный период времени нагрева слоя. В последующем, с уменьшением влажности, теплозатраты уменьшаются. Возможное некоторое отклонение вида функции от реального поведения объекта нивелируется минимальной толщиной слоя смеси. Количество тепла, затраченного на нагрев и парообразование влаги в 1 кг смеси с различной начальной влажностью, при теплоте парообразования воды L=2,26106 Дж/кг, удельной теплоемкости воды с=4200 Дж/кгС [297], показано в таблице 5.3.
Таблица 5.3 – Количество тепла, затраченного на нагрев и парообразование влаги в 1 кг смеси
Исходя из того, что величина рассматриваемого температурного интервала принята постоянной, т. е. (Тисп – Т0)=const, а функция (5.31), в зависимости от изменения параметра а, значительно изменяет эффективные пределы распространения кривой, то необходимо изменить зависимость (5.31) так, чтобы искомая добавочная теплоемкость была эффективно распределена в рассматри 183 ваемом температурном интервале. В противном случае полное испарение влаги в расчете может быть получено уже при 40 С.
Для более эффективного распределения теплоемкости по величине исследуемого температурного интервала был проведен анализ функции (5.31) и получено выражение (5.33), позволяющее скорректировать влияние показателя а на интервал распространения искомой теплоемкости [298]. Z = 9,653 - 0,023t/0 \a(U0) -1,2511 \a(U0). (5.33) Приняв во внимание выражения (5.31) - (5.33) и учитывая, что параметр х выражения (5.31) может быть записан как х = (Т"-т0) , где Тг - текущая температура слоя, запишем зависимость (5.31) в следующем виде: