Процессы заполнения расплавами чугунов горизонтальных полостей литейных форм тонкостенных отливок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Киктева, Жанна Валерьевна

• Киктева, Жанна Валерьевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Киктева, Жанна Валерьевна

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Параметры жидкого металла, определяющие заполнение литейной формы

1.1.1 .Металлический расплав как реологическое тело

1.1.2. Жидкотекучесть расплава

1.2.Влияние свойств формы на заполняемость горизонтальных полостей форм тонкостенных отливок

1.2.1. Поверхностные явления при заполнении формы и их влияние на качество поверхности тонкостенной отливки

1.2.2. Теплофизические свойства литейной формы, влияющие на процесс её заполнения

1.2.3. Движение металла в каналах литниковой системы

1.2.4. Методы расчёта оптимальной продолжительности заливки

1.2.5. Гидравлический расчёт литниковой системы

1.3. Оптимизация режимов заливки по критериям качества

1.3.1. Расчет пропускной способности литниковой системы

1.3.2. Блок схема автоматизированного проектирования систем заполнения неметаллических форм

1.4. Выводы по состоянию вопроса и постановка задачи эксперимента 41 2. Разработка пробы для анализа заполняемости форм тонкостенных отливок с развитой горизонтальной поверхностью

2.1. Обоснование пробы для анализа заполняемости форм тонкостенных отливок с развитой горизонтальной поверхностью

2.2. Методика проведения эксперимента

2.3. Проведение эксперимента и оценка результатов

3. Исследования влияния технологических факторов на процесс заполнения форм тонкостенных отливок

3.1. Влияние теплофизических характеристик материала формы на заполняемость форм тонкостенных отливок

3.2. Методика определения рационального способа заполнения форм тонкостенных горизонтальных отливок по предложенным коэффициентам

3.3. Использование методики определения рационального способа заполнения форм тонкостенных горизонтальных отливок на примере тюбинга

3.4. Влияние сил поверхностного натяжения на заполняемость форм тонкостенных отливок

4.Физическое моделирование процесса заполнения формы тюбинга

4.1. Изучение влияния гидродинамических свойств расплава на заполнение формы тюбинга

4.2. Изучение характера кристаллизации потока расплава при заполнении формы тюбинга

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы заполнения расплавами чугунов горизонтальных полостей литейных форм тонкостенных отливок»

Получение тонкостенного литья - важная технологическая и экономическая проблема литейного производства.

Технологические проблемы получения тонкостенного литья являются определяющими и связаны с получением качественной отливки, в частности ее поверхности (внешнего контура) и отсутствием пороков во всём обьёме отливки. Технологический процесс получения тонкостенных отливок значительно осложняется проблемой заполнения полости формы минимального сечения. При заполнении полости в таких условиях поток металла интенсивно охлаждается и часто затвердевает прежде, чем заполнится форма. Кроме того процесс заполнения форм тонкостенных отливок характеризуется кратковременностью и достаточно специфичен с точки зрения гидродинамики. Всё это создаёт значительные тудности при производстве тонкостенных отливок с развитой горизонтальной поверхностью и вызывает необходимость разработки как специальных устройств (литейных форм) для исследования процесса заполняемое™, так и практических рекомендаций по возможности получения конкретной тонкостенной отливки, путём оценки максимально возможной длины прохождения расплавом в полости формы при минимально допустимой её толщине.

Экономичность применения тонкостенного литья очевидна - происходит значительное сокращение массы отливки. При этом прочность и надёжность отливки, как правило, не только не снижаются, но и возрастают. Использование тонкостенного литья взамен массивных сварнолитых конструкций позволяет литейному производству быть востребованному в конкурентной борьбе, за счет снижения затрат на производство, улучшения качества изделий. Необходимо отметить, что в большинстве случаев толщина стенки отливки определяется не прочностными соображениями, а технологическими возможностями получения отливки, которые определяются как состоянием расплава, в частности его химическим составом, загрязненностью неметаллическими включениями, перегревом, так и состоянием формы, в частности её теплофизическим состоянием, геометрией полости формы, смачиваемостью материала формы расплавом и другими факторами.

Таким образом, изучение процессов заполнения тонкостенных полостей литейных неметаллических форм расплавами чугуна, разработка на этой основе новых методов расчёта технологических параметров является актуальной задачей литейного производства.

Целью работы является изучение закономерностей заполнения форм тонкостенных отливок расплавом серого чугуна, создание различных конструкций литниковых систем, обеспечивающих получение качественных литых изделий.

Для достижения указанной цели основное внимание было уделено решению следующих задач:

- теоретическому обоснованию положений, определяющих заполняемость форм с использованием различных литниковых систем;

- исследованию влияния теплофизических характеристик материала форм на её заполняемость;

- разработке оптимального способа заполнения формы, обеспечивающей получение качественного изделия;

- созданию пробы для комплексной оценки заполняемое™ форм;

- изучению влияния технологических конструктивных элементов- расширителей на заполняемость форм.

1. Состояние вопроса

Тенденция к увеличению объёмов литья и оплаты за массу изделий, а не за их количество долгое время была основной в бывшем СССР. Поэтому литейщики не уделяли достаточного внимания производству тонкостенного литья, хотя экономическая целесообразность его производства очевидна.

Теоретические вопросы получения тонкостенного литья рассматривались целым рядом научных сотрудников в течение длительного времени. Наиболее известными учёными, занимавшимися этой проблемой были: Г. Ф. Баландин, Ф. Д. Оболенцев, Б. В. Рабинович, В. В. Чистяков, Б. С. Чуркин, М. Г. Ковалёв, Ю. А. Степанов и другие. В их работах рассмотрены вопросы течения жидкости по каналам литниковых систем, гидравлические условия заполнения литейной формы, тепловые потоки, условия, обеспечивающие получение здоровых отливок, влияние на эти факторы состояния жидкого металла, свойств литейных форм и формовочных материалов, конфигурации и вида отливки, алгоритмы, устанавливающие минимальное сечение канала литниковй системы, их число.

Широко применяемый в настоящее время технологический расчёт течения металла по каналам литниковой системы, основанный на уравнении Бер-нулли для струйного течения жидкостей, является предельно упрощенным, что не позволяет учитывать индивидуальность каждой отливки. Отсюда, как следствие, возможность возникновения проблем с заполнением полости форм и получением качественных отливок. Обширные экспериментальные данные прошлых лет подтверждают необходимость использования численного анализа закономерностей разделения потоков металла в литниковых системах и в полости литейной формы с целью учета их перераспределения в период заполнения формы и влияния на процесс её заполнения в целом.

Необходимо искать такие варианты расчётов технологических параметров заполнения форм, которые отражали бы влияние практически всех учитываемых технологических факторов и в то же время не слишком усложняли расчёт. Количество технологических факторов, влияющих на заполняемость форм, очень велико и поэтому необходимо рассмотреть влияние конкретного параметра внешнего воздействия на процесс заполнения полости формы в целом по литературным источникам.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Киктева, Жанна Валерьевна

Основные выводы

1. Решена задача оценки возможности получения качественных отливок, основанной на анализе полученных экспериментальных коэффициентов заполнения форм расплавом.

2. Установлено, что вследствие кратковременности процесса заполнения форм тонкостенных отливок, определяющее влияние на остановку потока расплава, оказывает теплопроводность их материала. Она связана прямопропор-циональной зависимостью с длиной прохождения расплава в полости формы до его полной остановки.

3. Экспериментально получено, что при толщине стенки отливки 2, 4, 6мм дополнительное воздействие на остановку потока расплава оказывают силы поверхностного натяжения. При чём с увеличением толщины стенки его влияние ослабевает.

4. На основе экспериментальных данных получены выражения для определения коэффициентов, позволяющих оценить характер заполнения форм (Кдп, Кшп, Кпз, Крп) и использовать их для прогнозирования качества отливки, а так же для оценки протекания конкретных кристаллизационных процессов. Соблюдение неравенств Крп >1, Крп / 5<1, указывает на наличие фронтальной кристаллизации при заполнении расплавом чугуна полостей литейных форм тонкостенных отливок.

5. Реализована в программном обеспечении методика расчета и выбора оптимального способа заполнения форм тонкостенных отливок с учётом полученных экспериментально коэффициентов.

6. Разработана конструкция пробы, моделирующая процесс заполнения полости формы тонкостенной отливки. На основании анализа залитых образцов пробы, установлено, что использование расширителей увеличивает длину прохождения раплава в полости формы на 20 .30 %.

106

7. С применением математического и гидравлического моделирования определены оптимальные размеры элементов литниковых систем для изготовления тюбинга в литейных цехах, обеспечивающие минимальную турбули-зацию потока расплава при заполнении полости литейной формы.

8. При внедрении технологических разработок в литейных цехах ОАО "ММК" экономический эффект составил - за счёт снижения расхода металла на литниковую систему - 7,1 млн.рублей (в ценах 1997 г.) и уменьшения брака по недоливам с 25% до 5% - 25,2 млн. рублей. 1

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Киктева, Жанна Валерьевна, 1998 год

1. Ковалёв Ю. Г. Расчёт прибылей и литниковых систем / Учебное пособие. -Пермь: ППИД985,35с.

2. Рабинович Б. В. Введение в литейную гидравлику-М.: Машиностроение, 1966, 424с.

3. Степанов Ю. А., Гини Э. Ч., Соколов Е. А., Матвейко Ю. П. Литьё тонкостенных конструкций.-М.: Машиностроение, 1966, 255с.

4. Баландин Г. Ф. Основы теории формирования отливки. Ч. 1 Тепловые основы теории-М.: Машиностроение, 1976, 328с.

5. Баландин Г. Ф. Основы формирования отливки. Ч. 2. Формирование макроскопического строения отливки-М.: Машиностроение, 1979, 335с.

6. Пржибл Й. Теория литейных процессов М.: Мир, 1967, - 325с.

7. Анисович Г. А. Влияние продолжительности течения металла в форме на затвердевание отливки: Литейное производство. М.,1997, №11, с14.

8. Рабинович А. Р. Литейные свойства, определяющие способность сплава к заполнению формы: Литейное производство. М., 1970, №7, с22.

9. Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов- Л.: Машиностроение, 1976,-216с.

10. Ветишка А., Брадик Й, Мацашек И., Словак С. Теоретические основы литейной технологии,- пер с чеш./ под ред. К.И. Ващенко. Киев: Вища шк, 1981, - 320с.

11. П.Прохоров Н. Н. Технологическая прочность металлов в процессе кристаллизации при литье: Литейное производством., 1962, №4,с 16.

12. Кожанов В. А., Селезнёв Л. П., Бычков Ю. Б., Журавлёва В. А. Жидкотеку-честь и формозаполняемость: Литейное производством., 1986, №4,с11.

13. Рабинович А. Р. Заполнение горизонтальных полостей литейных форм: Известия вузов. Чёрная металлургия.М., 1960, N11, с154-157.

14. Чистяков В. В., Воздвиженский В. М. Расчёт критической скорости заполнения: Литейное производство.М., 1971, N3, с 9-12.

15. Пржибл Й. Затвердевание и питание отливок. пер с чеш.-М.: Машгиз, 1958,- 183с.

16. Чистяков В. В. Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике -М.: Машиностроение, 1990, 224с.

17. Чистяков В. В., Воздвиженский В. М. Критериальная оценка кристаллизационных явлений в процессе заполнения песчаной формы расплавом: Литейное производством., 1986, N1, с31-32.

18. Чистяков В. В. Влияние типа кристаллизации сплава на заполняемость двухмерных протяженных полостей форм: Литейное производство. М., 1979, N8, cl 1-13.

19. Чистяков В. В. Движение головной части потока металла в форме : Известия вузов. Чёрная металлургия. М., 1990, N12, с57-59.

20. Чистяков В. В., Неуструев А. А. Метод расчёта оптимальной скорости заполнения протяженных полостей форм алюминиевыми сплавами: Литейное производством., 1978, N10, с15.

21. Гуляев Б. Б. Затвердевание и неоднородность стали.-М.: Металлургиздат, 1950, 260с.

22. Баландин Г. Ф., Гини Э. Ч., Соколов Е. А., Яковлев Ю. П. Литьё тонкостенных крупногабаритных панельных деталей в сырые песчано-глинистые формы: Литейное производством., 1961, №8, с12.

23. Баландин Г. Ф., Гини Э. Ч. Взаимодействие расплава с фронтом кристаллизации затвердевающей отливки: Известия вузов. Машиностроением., 1961, №4, С102-104.

24. Баландин Г. Ф., Гини Э. Ч., Соколов Е. А., Яковлев Ю. П. Роль технологических факторов в формировании прочности тонкостенных отливок: Известия вузов, машиностроением.,1964, №2.

25. Бай Ши-и. Турбулентное течение жидкостей и газов,- пер с англ./ под ред. К. Д. Кривощапова.- М.: Издательство иностранной литературы, 1962,-337с.

26. Яковлев Ю. Н. Гидродинамические процессы в струе при разливке стали: Проблемы стального литка.-М.: Металлургия, 1974, с154-159.

27. Анисович Г. А., Никитин В. Г., Клековкин А. Я. Гидроудар в литейной форме как фактор нарушения направленности затвердевания отлив-ки:Литейное производство.М., 1984, №10, с17—18.

28. Чуркин Б. С., Гофман Э. Б., Шабалина Н. А. Применение правила приведённой толщины стенки для расчёта продолжительности затвердевания отливок из стали 110Г13Л : Известия вузов. Чёрная металлургия.М., 1988, N6, с95.

29. Чуркин Б. С. Численные методы расчёта кинетики затвердевания отли-вок.-Свердловск: изд. УПИ, 1985, 70с.

30. ЗО.Чуркин Б. С., Дубицкий Г. М. Продолжительность заполнения песчаных литейных форм сплавом: Известия вузов. Черная металлургия. М.,1969, N4, С133-137.

31. Вейник А. И. Теория затвердевания отливки.-М.: Машгиз, 1960, 404с.

32. Галандин Н. М. Литниковые системы для отливок из лёгких сплавов М.: Машиностроение, 1978, - 197с.

33. Дубицкий Г. М., Чуркин Б. С. Сборник "Приложение теплофизики в литейном производстве".- Минск.: Высшая школа, 1966г.

34. Дубицкий Г. М. Литниковые системы.-М.: Машгиз, 1962, 256с.

35. Баландин Г.Ф. Литьё намораживанием,- М.Машгиз, 1962.

36. Мурзин Е. С., Гуляев Б. Б. Разработка оптимальных литниковых систем для фасонных отливок: Литейное производство.М., №4, 1994, с18.

37. Чистяков В. В. Оптимизация режимов заливки форм по критериям качества: Литейное производством., №6, 1994,с18.

38. Чистяков В. В. Заполнение форм тонкостенных отливок: Литейное производством., 1971, №9, с39-40.

39. Чистяков В. В. Пристеночная кристаллизация в процессе заполнения формы: Известия вузов. Чёрная металлургия.М., 1979, №2, с107—109.

40. Чистяков В. В. Формирование застойных зон при заполнении протяжённых полостей форм: Известия вузов. Черная металлургия. М.,1981, №8, с98-100.

41. Чистяков В. В., Барбашин Н. Н. Влияние характера заполнения форм на механические свойства отливок: Литейное производством., 1971, №2, с7-9.

42. Чистяков В. В., Воздвиженский В. М. Заливка форм коробчатых и цилиндрических отливок: Литейное производством., 1971, №7, С8-9.

43. Чистяков В. В., Неуструев А. А., Барбашин Н. Н. Заполнение форм при вертикально щелевом подводе металла: Литейное производством., 1974, №3, С26-28.

44. Чистяков В. В., Неуструев А. А. Расчёт ширины проточной зоны при литье крупногабаритных тонкостенных деталей: Известия вузов. Чёрная металлургия.М., 1976, №>10, с141—144.

45. Мусияченко А. С. Предельно допустимые скорости течения расплава в форме: Литейное производством., 1987, №2, с16—17.

46. Недопекин Ф. В., Белоусов В. В., Ковтун Ю.Н. Численное моделирование гидродинамики и теплопереноса в период наполнения литейной формы: Известия вузов. Чёрная металлургия. М.,1988, №5, с154-155.

47. Вейник А. И. Расчет отливки.-М.: Машиностроение, 1964, 404с.

48. Неуструев А. А., Барбашин Н. Н., Чистяков В. В. Расчёт процесса заполнения горизонтальных полостей литейных форм: Литейное производством., 1972, №7, с20.

49. Пышминцев Ю. П. Режим заливки форм чугуном и расчет литниковых систем: Литейное производство.М., 1984, №5, с24-26.

50. Таранов Е. Д., Павленко И. В., Беркун М. Н., Парфенов А. А. Исследование гидродинамических процессов литья: Литейное производство.М., 1984, №5, с12—13.

51. Чистяков В. В., Воздвиженский В. М. Расчёт минимального узкого сечения литниковой системы для отливок коробчатой формы: Известия вузов. Чёрная металлургия.М., 1972, №4, с146-149.

52. Неуструев А. А. Автоматизированное проектирование технологии литья лёгких сплавов: Литейное производством., 1985, №11, с13-15.

53. Чистяков В. В. Методы автоматизированного проектирования систем заполнения и питания отливок в песчаных формах: Литейное производство. М., 1988, №10, с13-14.

54. Неуструев А. А., Моисеев В. С. Теория формирования отливок и САПР: Литейное производство. М., №11, 1997, с9-11.

55. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий- М.: Наука, 1971 258с.

56. Белай Г. Е., Дембовский В. В., Соценко О. В. Организация металлургического эксперимента М.: Металлургия, 1993- 256с.

57. Иванов Н. И., Гольденберг И. Б., Торопов Е. В. Теория подобия и моделирование/ Учебное пособие,- Магнитогорск: МГМИ, 1974, 58с.

58. А.с.№997951 В22С9/00001№33/20. Литейная форма для исследования процесса заливки / Винокуров В.К., КиселёвС.В., ЛоговатовскийН.М., Афанасьев И.В.

59. Патент Российской Федерации №2108888 6 В22 С 9 / 22 Cl. Литейная форма пробы для определения заполняемое™ тонкостенных отливок / Ми-ляев А.Ф., Киктева Ж.В., Хребто В.Е.

60. Вейник А. И. Тепловые основы теории литья М.: Машгиз, 1953,- 381с.

61. Рыжиков А. А. Теоретические основы литейного производства М.: Машгиз. 1954,-323с.

62. Баландин Г. Ф., Васильев В. А. Физико -химические основы литейного производства-М.: Машиностроение, 1971,-224с.

63. Вейник А. И. Термодинамика литейной формы -М.: Машиностроение, 1968,-336с.

64. К problematike tuhnuti tepelnych uzlu. Horacek M., Rusin К., "Slivarenstvi", 1982, 30, N2/3,113-119.

65. Jeancolas M., Devaux H., Richard M., Carel M., Lamy P. Remplissage de pieces minces en alliages legers coules en sable. Fonderie. Fondeur d' augourd' hui, 1981, N4, 21-27.

66. Horacek M., Rusin K., Vancura C. Je pretlak vzdy nutny v cele vtokove soustave? Slevarenstvi, 1979, 27, N3/4, 132-141.

67. Неуструев A. A., Чистяков В. В. Тепловые условия предотвращения спаев в отливках: Литейное производство. М.,1977, №3, с19-20.

68. Чистяков В. В. Смеси с повышенной теплопроводностью: Литейное производство. М., 1969, №11, с35.

69. Дубровский А. М. Влияние тепловой деформации формовочных и стержневых составов на качество литья: Литейное производство. М.,1960, №6.

70. Дорошенко С. П. Создание технологичных конструкций литых деталей -путь экономии металла и получения высококачественных отливок: Литейное производством., №10, 1993,с14-16.

71. Волкомич А. А., Ковалёв Ф. И., Трухов А. П., Ходос Р. И. Проблемы повышения точности и снижения металлоёмкости отливок: Литейное производство. М., 1993, №6,с19.

72. Современная технология получения высококачественных стальных отливок/ Труды конференции.-М.: Машгиз, 1953,- 256с.

73. Мусияченко А. С., Соловьёв Е. П., Комкин В. В. Исследование режимов заполнения формы на прозрачной модели: Литейное производство. М.,1987, №1, с12-14.

74. Васькин В. В., Кропоткин В. В., Голод В. М., Фролов М. М., Пулит В.В. Численное моделирование процесса формирования чугунных отливок на основе трёхмерной геометрической модели: Литейное производство. М., №6, 1993,с21.

75. Арсентьев П. П., Коледов Л. А. Металлические расплавы и их свойстваМ.: Металлургия, 1976,- 376с.

76. Киктева Ж. В., Миляев А. Ф., Пасечный А. В.Улучшение заполнения тонкостенных отливок/ТНовые технологические процессы в литейном произ-водстве:Тез.докл.-. Омск, 1997г,- с53.

77. Киктева Ж. В., Миляев А. Ф., Тухватулин И. X., Момох С. В. Выбор технологии изготовления отливки "ванна"// Вопросы теории и технологии литейных процессов: Сб.научн.тр./Под ред. докт. техн. наук проф. В. М. Александрова. -Челябинск: ЧГТУ, 1996,-с175.

78. Рубцов Н. Н. Специальные виды литья М.: Машгиз, 1955,- 331с.114

79. Кутателадзе С. С. Анализ подобия и физические модели Новосибирск: Наука, 1986,-296с.

80. Механика жидкости и газа./ под общ. ред. А. Н. Минаева М.: Металлургия, 1987,-304с.

81. Серебро В. С. Исследование размыва поверхности формы при заливке: Литейное производством., 1978, №7, с4-5.

82. Цветное литьё: Справочник/ под общ. ред. Н. М. Галдина.-М.: Машиностроение, 1989,-528с.

83. Нехендзи Ю. А. Стальное литьё.-М.: Металлургиздат,1948.

84. Справочник по чугунному литью,- 3-е изд. / под общ. ред. Н. Г. Гиршови-ча,- М.: Машиностроение, 1978,- 758с.

85. Гуляев А. П. Металловедение-М.: Металлургия, 1977,- 647с.

86. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках.-М.-Л.: Машиностроение, 1966,- 552с.

87. Лапшин А. В. Некоторые особенности натекания расплавленного металла на стенку литейной формы: Известия вузов. Чёрная металлургия. М., 1995, №2, с 123-126.