Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Напряженно-деформированное состояние оболочковой
формы и существующие методы снижения его уровня 17
1.1.1. Послойное нанесение и сушка огнеупорных слоев 17
1.1.2. Выплавление модели 26
1.1.3. Прокаливание оболочковых форм 32
1.1.4. Заливка оболочковых форм 40
1.2. Анализ существующих методов определения внутренних напряжений, возникающих в оболочковых формах 46
1.3. Постановка задач исследования 53
1.4. Выводы 55
ГЛАВА 2. Методики проведения исследований 56
2.1. Структура и объекты исследований 56
2.2. Исходные материалы для изготовления пористых моделей и пористых оболочковых форм 59
2.3. Приготовление модельных составов, суспензии и оболочковых форм 61
2.4. Контроль свойств и качества суспензии 67
2.5. Методики исследования свойств оболочковых форм 67
2.6. Методика проведения тензоизмерений 68
2.6.1. Определение деформаций в слое оболочковой формы при измерении сопротивления тензорезистора 69
2.6.2. Определение критических деформации и напряжений возникающих в оболочковой форме при ее разрушении . 74
2.6.3. Анализ погрешности тензоизмерений 79
2.7. Методика определения гидромеханического давления струи расплавленного металла на оболочковую форму при ее заливке 79
2.8. Методики исследований свойств отливки 86
2.9. Выводы 86
ГЛАВА 3. Исследование деформационных процессов при изготовлении оболочковых форм 88
3.1. Деформационные процессы при сушке оболочки 90
3.2. Деформационные процессы в оболочке при выплавлении модели 100
3.3. Деформации в слоях оболочковой формы при ее сушке и выплавлении модели 104
3.4. Выводы 112
ГЛАВА 4. Исследование влияния конструктивных параметров заливки оф расплавом на величину гидродинамического давления 115
4.1. Влияние конструкции зумпфа на величину гидродинамического давления 116
4.1.1. Особенности гидродинамики моделирующей жидкости при заливке оболочковых форм с различным конструктивным исполнением литниково-питающей системы 120
4.1.2. Особенности гидродинамики моделирующей жидкости при заливке оболочковой формы с экспериментальной конструкцией литниково-питающей системы 128
4.2. Влияние высоты заливки оболочковой формы на величину гидродинамического давления 133
4.3. Совместное влияние конструктивных параметров оболочковых форм и условий их заливки расплавом на величину гидродинамического давления 134
4.4. Выводы 138
ГЛАВА 5. Промышленное опробывание результатов исследований 140
5.1. Качество экспериментальных оболочковых форм и технологические особенности их применения 141
5.2. Качество отливок, получаемых в экспериментальных оболочковых формах 155
5.3. Выводы 162
Общие выводы 163
Библиографический список 166
Приложения
- Анализ существующих методов определения внутренних напряжений, возникающих в оболочковых формах
- Определение деформаций в слое оболочковой формы при измерении сопротивления тензорезистора
- Деформации в слоях оболочковой формы при ее сушке и выплавлении модели
- Особенности гидродинамики моделирующей жидкости при заливке оболочковых форм с различным конструктивным исполнением литниково-питающей системы
Введение к работе
В настоящее время, одним из главных направлений повышения эффективности производства и конкурентоспособности выпускаемой продукции является улучшение ее качества при снижении себестоимости.
Одним из перспективных и широко распространенных в машиностроении и приборостроении во многих странах является метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) [1, 2, 3, 48].
Преимуществом данного метода литья, является возможность изготовления отливок сложной конфигурации практически из всех существующих сплавов с точностью, приближающейся к размерам готовой детали и высокой чистотой поверхности, а также широкая возможность автоматизации и механизации технологических процессов.
Однако процесс получения точных и качественных отливок при этом изучен недостаточно всесторонне и глубоко. Имеющиеся технологические процессы не позволяют свести к минимуму основные виды брака отливок по поверхностным дефектам (составляющим свыше половины общего количества брака), а также несплошностям, газовым раковинам, нарушениям геометрических размеров и т. д., вследствие недостаточной прочности, трещиностоикости, термостойкости, податливости и газопроницаемости оболочковых форм (ОФ). Процессы изготовления моделей и ОФ недостаточно управляемы, длительны по времени, связаны с большими материальными и энергетическими затратами. Брак оболочек в массовом производстве достигает 50-60 %, что значительно повышает себестоимость отливок. [4]. Это объясняется сравнительно низкими показателями прочности, термостойкости, трещиностоикости и газопроницаемости, что приводит к высокому браку отливок по поверхностным дефектам, а именно, за-сору, газовым раковинам и др.
В ЛВМ существуют следующие причины образования трещин в оболочковых формах:
образование трещин в одном или нескольких слоях оболочки формы вследствие недостаточной ее термостойкости, нарушения режимов изготовления формы, некачественных модельных и формовочных материалов;
растрескивание оболочки под давлением модельного состава в блоке вследствие его нагрева или охлаждения, при изменениях температуры окружающей среды (при сушке слоев и при удалении из нее моделей);
разрушение оболочки при вакуумно-аммиачной сушке. Вследствие "взрывного" характера испарения органических растворителей при излишне быстром создании вакуума либо вследствие расширения полых моделей при наборе вакуума в сушильной камере;
образование трещин в оболочке под давлением опорного наполнителя;
образование трещин в оболочке формы вследствие объемных изменений в ней при прокаливании и охлаждении перед заливкой;
образование трещин в облицовочном слое формы, его коробление и расслаивание (вспучивание) в результате теплового и механического воздействия на форму во время ее заливки и др.
Сложность управления процессами формообразования является одной из важных проблем метода ЛВМ, в силу того, что качество оболочковых форм и отливок в данном виде литья формируется практически на всех этапах их изготовления, а именно: производство моделей, приготовление и нанесение огнеупорной суспензии на модель, обсыпка их огнеупорным материалом, послойная сушка ОФ, выплавление моделей из форм, прокаливание и заливка их расплавом. Кроме того, качество отливок зависит от комплекса таких технологических факторов как качество исходных материалов суспензии, ОФ и т.д.
В ОФ возникают значительные внутренние напряжения из-за усадки на неподатливой модели, а также при выплавлении; при прокаливании появляются термические напряжения.
Перспективным направлением в ЛВМ является применение ОФ из кристаллического кварца при заливке без опорного наполнителя. Использование ОФ из кристаллического кварца при заливке без опорного наполнителя позволяет исключить применение таких дорогостоящих огнеупорных материалов как плавленый кварц, электрокорунд и др. Традиционные ОФ заливаемые без опорного наполнителя разрушаются при попадании первой порции металла. Применение пористых моделей и пористых ОФ позволяет сократить брак оболочек. Однако пористые ОФ обладают низкой заливаемостью при заливке без опорного наполнителя. Наиболее частой причиной брака при заливке без опорного наполнителя, является образование трещин и сколов в ОФ, а, в некоторых случаях, и их разрушение в области зумпфа.
Поскольку на стадию заливки ОФ поступает с накопленными ранее напряжениями на предыдущих этапах ее формирования и обработки, то несомненный интерес представляет исследование влияния гидродинамического воздействия струи расплава на ОФ при ее заливке.
Одним из направлений исследований является определение уровня напряженного состояния в ОФ на каждом этапе ее формообразования и разработка методов его снижения. В этой связи важным является выяснение закономерностей, имеющих место в реальных процессах формообразования при ЛВМ, с целью разработки технологического процесса изготовления ОФ, обеспечивающего отливкам необходимые качество и точность при одновременном сокращении материальных, энергетических и трудовых затрат.
Правомерность выбора этих направлений определяется тем, что они в полной мере соответствуют задачам современных исследований [5, 6, 7].
Целью настоящей работы является исследование закономерностей протекания деформационных процессов в ОФ на различных технологических этапах ее формообразования, а также изучение влияния гидродинамического воздействия струи расплава на ОФ при ее заливке, знание которых позволяет разработать новые способы повышения трещиностойкости оболочек.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
разработка методики определения деформаций в слоях ОФ;
исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) ОФ на основных этапах формообразования;
определение влияния пористой модели и пористости ОФ на ее НДС в процессе сушки оболочки и выплавления модели;
разработка методики определения динамического воздействия расплава на ОФ при ее заливке;
исследование влияния динамического воздействия струи расплава на ОФ при ее заливке;
разработка литниково-питающей системы (ЛПС) с конструкцией зумпфа, позволяющей снизить динамическое воздействие струи расплава на ОФ при ее заливке;
проведение производственных испытаний технологического процесса изготовления пористых ОФ с применением разработанной конструкции ЛПС.
На защиту выносятся следующие основные положения:
закономерности протекания деформационных процессов в ОФ на различных технологических этапах ее формообразования;
особенности гидродинамики жидкого металла при заливке ОФ;
результаты промышленного опробования пористых ОФ, изготовленных с использованием разработанной конструкции ЛПС.
Научная новизна представленной работы состоит в следующем:
предложен новый подход в определении НДС ОФ и выявлены закономерности, имеющие место в реальных процессах формообразования;
экспериментально определены деформации в каждом слое ОФ при ее сушке и выплавлении модели;
выявлены особенности НДС пористых ОФ, изготовленных по традиционным и пористым моделям;
предложен способ определения гидромеханического давления на ОФ при ее заливке;
разработана ЛПС с конструкцией зумпфа, позволяющей снизить максимальное гидродинамическое давление струи расплава на ОФ при ее заливке, а значит вероятность образования трещин в них.
Научная новизна подтверждается одним патентом РФ на изобретение, одним положительным решением о выдачи патента РФ на изобретение и 2-мя поданными заявками на предполагаемые изобретения
Практическая значимость работы.
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика определения деформаций в слоях ОФ, методика определения динамического воздействия расплава на ОФ при ее заливке, новые конструкции ЛПС.
Отработана оптимальная технология получения отливок с применением пористой ОФ, изготовленной по пористой модели с использованием экспериментальной конструкции ЛПС.
Разработаны новые конструкции зумпфа литниково-питающей системы, позволяющие повысить трещинностойкость ОФ;
Разработанный технологический процесс прошел промышленное опробование на предприятии открытого акционерного общества "Комсо-мольское-на- Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А.Гагарина" (ОАО КнААПО).
Результаты исследования в виде экспериментальных установок и оснастки используются при выполнении научно-исследовательских работ в лабораториях Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (ИМиМ ДВО РАН) и кафедры «Машины и технология литейного производства» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ГОУ ВПО "КнАГТУ").
Работа выполнена в лабораториях кафедры МиТЛП ГОУ ВПО КнАГТУ, ИМиМ ДВО РАН, ОАО КнААПО.
Анализ существующих методов определения внутренних напряжений, возникающих в оболочковых формах
Одно из важных преимуществ применения пористых огнеупоров - развитая поверхность, низкая кажущаяся плотность (400...1700 кг/м ), что позволяет единице массы связующего удерживать зерно большего размера, тем самым за один прием наращивать большую, чем обычно, толщину слоя оболочки. Более высокая термостойкость образцов, изготовленных с применением пористых огнеупоров, объясняется тем, что образующиеся микротрещины не распространяются по всему материалу образца, так как напряжение, сконцентрированном в конце трещины, локализуется в порах оболочки. Высокая термостойкость оболочки позволяет ускорять их прокаливание. При этом видно, что разрушение образцов многослойной керамики происходит резко. Керамика с пористым огнеупором в 3-м слое покрытия разрушается с торможением.
Сапченко И.Г. в работе [197] были проведены исследования по управлению пористым строением и свойствами оболочковых форм в ЛВМ. Выполненным анализом напряженно-деформированного состояния традиционных и пористых оболочковых форм при температурном воздействии выявлен характер распределения напряжений в их структурах, наиболее вероятные участки релаксации напряжений и разрушения оболочек: максимальные напряжения возникают в плотных слоях и минимальные - в пористых; релаксация напряжений происходит на границе сопряжения плотных и пористых слоев оболочки. В случае возникновения трещин наличие пористого слоя препятствует их распространению, что значительно повышает термостойкость оболочек, как при прокаливании, так и в процессе заливки ОФ.
Одним из технологических приемов повышения надежности крупногабаритных керамических оболочек является включение в их структуру промежуточного слоя повышенной пористости, получаемой за счет выгорания графита, введенного в состав суспензии [198]. При разработке технологического процесса было опробовано упрочнение керамических оболочек путем пропитки их гидролизованным раствором этилсиликата, этил-силикатом 40, растворами хлорида и сульфата алюминия. Наибольшую прочность (4,3-6,4 МПа) и наименьший прогиб (0,6-1,8 мм) показали образцы, пропитанные негидролизированным этилсиликатом 40. При этом непропитанные образцы имели прочность 2,1 МПа, а под действием собственного веса разрушались еще в процессе нагрева, не достигая температуры 1200 С.
Авторами работ [ПО, 111] предлагается повысить термостойкость ОФ введением в состав суспензии мела и алюминиевой пудры.
При прокаливании ОФ в опорном наполнителе следует учитывать сжимающее действие последнего на оболочку, особенно в нижней ее части. При нагреве ОФ в опорном наполнителе (кварцевый песок) происходит увеличение объема последнего и расширение оболочки. Опорный наполнитель препятствует расширению оболочки, оказывая на нее значительное давление, что может вызвать деформацию или разрушение ОФ. При недостаточной упругости оболочки трещинам особенно подвержены детали с плоскими поверхностями. Авторами работы [18] были определены деформации оболочки, прокаливаемой без опорного наполнителя и с опорным наполнителем. В работе [30] предлагается снизить колебания деформации и размеров оболочек и соответственно отливок применением в качестве опорного наполнителя материалов с низким термическим коэффициентом линейного расширения, например плавленого кварца, электрокорунда, шамота.
Влияние температурного фактора на напряженно-деформированное состояние ОФ и математические модели трещиностойкости подробно описаны в работах [4, 22, 33, 34, 173-182]. На основе этих моделей разработаны технологические приемы повышения трещиностойкости ОФ при формовке и прокалке.
Авторами [84, 85] предложено использовать сверхвысокочастотные токи и упрочнение ОФ с одновременным прокаливанием в расплаве алюминия или его сплавов. Данные способы позволяют снизить термические напряжения и повысить прочность оболочки. В работах [86, 87] исследованы свойства ОФ при прокалке в вакууме. Этот способ позволяет сократить продолжительность прокалки и снизить КТР формы. Широкое распространение этих приемов сдерживается конструктивной сложностью применяемого оборудования, а также повышенным расходом цветных металлов в случае прокалки ОФ в их расплавах.
Паршуковой Н.Ю. [193] предлагается способ совершенствования процесса прокаливания - применение добавок комплексного воздействия, увеличивающих термостойкость и прочность оболочек и сокращающих длительность отверждения. В качестве такой добавки использовали алю-мометилсиликонат Na (ТУ 6-02-700-93).
Для повышения трещиностойкости оболочек при прокалке получили распространение методы пропитки ОФ упрочняющими составами, такими как, водная эмульсия полиметилсилоксановой жидкости [47], 65-70% раствора полиметилфенолсилоксановой смолы в этиловом спирте [53], сернокислым алюминием [56]. Однако данный метод не нашел широкого применения в производстве из-за токсичности и пожароопасности данных материалов. Применение этого метода требует также увеличения числа производственных операций, что приводит к увеличению технологического цикла получения отливок в ЛВМ.
Определение деформаций в слое оболочковой формы при измерении сопротивления тензорезистора
Наиболее трудоемкой и длительной операцией в технологии ЛВМ является сушка оболочек [10].
Послойное нанесение и сушка огнеупорных слоев при изготовлении ОФ в 1-15 % случаев сопровождается растрескиванием и отслаиванием формируемых слоев [9, 131, 199, 195]. Причинами возникновения брака на этой стадии производственного цикла получения отливок в ЛВМ могут быть: низкое качество огнеупорной суспензии; нарушение режима сушки огнеупорных слоев; изменение температурного режима при сушке огнеупорных слоев приводящее к короблению моделей.
Одной из основных причин сложности получения оболочек с необходимыми структурно-механическими свойствами, является возникающий при нанесении на модель слоев ОФ градиент температур по толщине последней. Авторами [21, 22] установлено, что разница температуры составляет 5-6 С, что приводит к внутренним напряжениям в покрытии, которые суммируются с напряжениями вызванными усадочными процессами.
Неравномерные поля влажностей и температур, возникающие при сушке оболочек, вызывают в них напряжения, которые концентрируясь на внутренних неоднородностях, приводят к зарождению и развитию трещин в системе. С изменением температуры оболочки изменяется взаимное расположение частиц структуры материала в вершине трещины. При этом изменяются энергия активации разрушения, а также критическое перенапряжение в вершине трещины, необходимое для ее дальнейшего развития. Следовательно, перепад температуры по сечению оболочковой формы является важным фактором, влияющим на процессы деформации и разрушения, происходящие в ее структуре при формировании и тепловой обработке.
Уменьшить внутренние напряжения в слоях при формировании ОФ возможно упразднением либо значительным снижением в слоях оболочки усадочных процессов. Усадочные процессы в слоях ОФ являются преимущественно следствием испарения жидкой составляющей.
В работе [197] показано, что применение пористых ОФ приводит к сокращению брака оболочек по трещинам.
Применение пористых моделей позволяет значительно снизить давление модельного материала на ОФ в результате объемных изменений на стадии удаления моделей. Пористые модели, полученные прессованием пластичных порошков изделия [210] отличаются наличием прогнозируемой пористости в структуре прессовки и прогнозируемыми физико-механическими и технологическими свойствами. При этом остается невыясненным характер взаимодействия в системе "модель-оболочка" и оказывает ли влияние пористая модель на возникающие внутренние напряжения в ОФ при ее изготовлении.
Однако, неизвестен механизм образования напряжений на основных этапах изготовления пористой ОФ и ее технологической обработки.
Таким образом, дальнейшие исследования представляют собой определение характера деформационных процессов в слоях ОФ при ее сушки и выплавлении модели в случаях использования: - традиционной ОФ; - пористой ОФ; - пористой модели; - пористой модели и пористой ОФ. На основании вышеизложенного, целью настоящих исследований является изучение характера деформаций возникающих в слоях ОФ при их последовательном нанесении, выявление методов снижения напряжений при формировании слоев ОФ.
Характер деформаций в слоях ОФ дает представление о механизме протекания в оболочке деформационных процессов, что позволяет судить о напряжениях возникающих в ней. Напряжения, возникающие в ОФ, провоцируют появление трещин и приводят к нарушению ее целостности, а в некоторых случаях и разрушению оболочки.
Образование трещин в одном или нескольких слоях оболочки также возникает вследствие нарушения режимов изготовления формы.
Интересным является случай, когда следующий слой наносится на недостаточно просушенный предшествующий слой. На рис. 3.1 представлены результаты тензоизмерений в слоях ОФ при нанесении второго слоя на недостаточно просушенный первый слой. Из представленной зависимости видно, как образование трещин в оболочке сопровождается пилообразным изменением удлинения слоев. При этом происходит вспучивание оболочки, образование множества трещин и ее разрушение (рис. 3.2).
На основании вышеизложенного, с целью снижения трещинообразо-вания в оболочке, и как следствие предотвращения образования поверхностных и внутренних дефектов отливок, необходимо выдерживать оптимальные режимы ее сушки. При исследовании характера возникающих деформаций в слоях традиционной ОФ было выявлено, что при послойном нанесении слоев в них происходит как плавное увеличение деформации, в результате их сушки, так и резкое снижение напряжений вследствие смачивания суспензией.
Деформации в слоях оболочковой формы при ее сушке и выплавлении модели
При заливке утвердительно качественных ОФ расплавленным металлом, как в опорном наполнителе, так и без него, не редко встречается брак отливок по наличию неметаллических включений (фрагментов ОФ) на ее поверхности и в теле; поверхностных заусенцев и гребешков; металлических наростов всевозможной геометрической формы. Кроме того, под давлением падающей струи жидкого металла возможно разрушение формы [10].
Очевидно, что причиной возникновения отмеченного брака является образование трещин и сколов в ОФ, а, в некоторых случаях, и их разрушение на стадии заливки оболочки. При этом технология заливки ОФ, а именно, в опорном наполнителе или без него, оказывает влияние лишь на статистический характер возникновения брака.
Величины и направления действия внутренних напряжений в ОФ зависят от действующих внешних механических нагрузок и от распределения температурных полей по сечению оболочек в процессе заливки ОФ. В процессе заливки расплавом ОФ подвергается термо- и гидродинамическому воздействию струи металла. В данном случае имеет место их совокупное воздействие на ОФ, что и является причиной возникновения отмеченного брака. Экспериментально установлено, что ОФ изготовленные из этилсиликатной суспензии обладают высокой термостойкостью или стойкостью к термодинамическому воздействию от 3 до 74 термоциклов в зависимости от химического состава суспензий. Таким образом, образование брака отливок при заливке ОФ расплавленным металлом не зависит в значительной степени от действия термоудара.
На основании вышеизложенного, целью данной главы является: исследование динамики заливки ОФ расплавленным металлом и разработка рекомендаций по упразднению отмеченных дефектов. При этом большое внимание уделяется разработке оптимальной конструкции зумпфа ОФ.
В ходе проведения предварительных исследований было установлено, что конфигурация зумпфа ОФ оказывает определенное влияние на гидродинамический удар струи при заливке ОФ. Исследуемый параметр проводимых экспериментов - сила удара струи моделирующей жидкости при заливке ОФ, пересчитывался согласно тарировке прибора представленной в пп. 2.7.1. Процесс заливки ОФ моделировался на воде. Заливка осуществлялась в пластиковую модель ОФ при соблюдении следующих условий: - диаметр стояка ОФ: 0,085 м; - объем заливаемой моделирующей жидкости: 0,85 л; - диаметр струи моделирующей жидкости: 0,021; 0,03; 0,046; и 0,07 м; - высота заливки ОФ: 0,27; 0,345; и 0,445 м; - уровень жидкости в ОФ после заливки: 0,16 м. При этом моделировалось два технологически возможных варианта заливки ОФ: струей направленной в центр зумпфа и боковую поверхность стояка. Эксперимент проводился со стояками ОФ с различной конструкцией зумпфа: цилиндрическим, конусным, полусферическим, и в виде половины тора (рис. 4.1). На рис. 4.2 представлена зависимость максимального гидродинамического давления струи моделирующей жидкости при заливке ОФ с различной конструкцией зумпфа. Данные получены при высоте заливки 0,27 м и диаметре струи моделирующей жидкости 0,046 м. Эксперимент показал, что предпочтительней является заливка ОФ струей направленной в боковую поверхность стояка. Это справедливо для ОФ с цилиндрическим, коническим и полусферическим зумпфом.
Кроме конструкции зумпфа на гидродинамический процесс заполнения ОФ оказывает влияние и скорость их заливки, обуславливаемая расходом моделирующей жидкости или таким параметром эксперимента, как диаметр струи моделирующей жидкости при фиксированном объеме формы (рис. 4.3). Здесь, данные получены при заливке ОФ струей направленной в центр зумпфа с высоты 0,27 м.
Особенности гидродинамики моделирующей жидкости при заливке оболочковых форм с различным конструктивным исполнением литниково-питающей системы
Аналогичное явление наблюдается при заливке ОФ в направлении боковой поверхности стояка, отличающееся только тем, что отражение струи моделирующей жидкости от его поверхности зумпфа происходит с одной стороны от основного потока.
Наблюдаемое здесь явление согласуется с полученными результатами, представленными на рис. 4.4-4.9.
При заливке ОФ струей направленной в боковую поверхность стояка (рис. 4.5, 4.7, 4.9) наблюдаются меньшие показатели максимального гидродинамического давления в результате многократного отражения удара от наклонных поверхностей литниково-питающей системы. Смягчение удара струи моделирующей жидкости в ОФ со сферической конструкцией зумпфа происходит вследствие закручивания потока (рис. 4.12,6) и плавного гашения ее энергии. Конусная конструкция зумпфа ОФ обеспечивает уменьшение энергии струи за счет многократного соударения ее с поверхностями зумпфа под меньшими углами (рис. 4.11,6), чем в оболочке с цилиндрической конструкцией зумпфа (рис. 4.10,6), что обуславливает более интенсивное гашение потока.
Такой характер изменения гидродинамического давления во время заливки ОФ расплавленным металлом совместно с термодинамическим воздействием может привести к зарождению и развитию микротрещин в ее структуре, или разрушению оболочки.
Анализ полученных зависимостей показывает, что наибольшее динамическое воздействие струя моделирующей жидкости оказывает на ОФ с цилиндрической формой зумпфа, поскольку максимальное гидродинамическое давление струи в этом случае имеет наибольшее значение по сравнению с другими конструкциями зумпфа. При заливке ОФ с коническим, полусферическим зумпфом и зумпфом в виде половины тора происходит более плавное возрастание гидродинамического воздействия, чем при заливке ОФ с цилиндрическим зумпфом.
При заливке ОФ в направлении боковой поверхности стояка величина максимального гидродинамического давления струи ненамного отличается от величины максимально возможного гидростатического. Таким образом, в данном случае возникает возможность заливки ОФ без опорного наполнителя, при которой влияние динамики струи жидкого металла на ОФ минимально. Однако, в результате многократного соударения струи с поверхностями зумпфа и стояка ОФ неустойчива.
Из рассмотренных конструкций зумпфов (цилиндрической, конической, полусферической) наиболее оптимальной является полусферическая форма. Ее применение позволило снизить максимальное гидродинамическое давление в ОФ при ее заливке на 17-19 % по сравнению с ОФ с цилиндрическим зумпфом.
Особенности гидродинамики моделирующей жидкости при заливке оболочковой формы с экспериментальной конструкцией лит-никово-питающей системы.
Из рис. 4.2, 4.3 видно, что при заливке ОФ с зумпфом в виде половины тора гидродинамическое воздействие струи моделирующей жидкости значительно меньше, чем при заливке ОФ с цилиндрическим, коническим и полусферическим зумпфом.
Изменение гидромеханического давления, приведенное на рисунках 4.13, 4.14 показывает, что происходит плавное возрастание гидродинамического воздействия. Максимальное гидродинамическое давление струи моделирующей жидкости при заливке ОФ с зумпфом в виде половины тора в 20,9 раз превышает гидростатические давление после заливки.
При заливке ОФ с зумпфом в виде половины тора происходит рассечение струи в начальный период заполнения оболочковой формы, что приводит к снижению гидродинамического удара и, как следствие, уменьшению образования трещин и сколов керамики в оболочке формы. На рис. 4.15,а, 4.15,6 представлены кадры видеосъемки при заливке ОФ, где отражены направления потоков. При заливке ОФ в направлении центра зумпфа рассечение струи происходит с образованием двух вихрей, поднимающихся вдоль стенок стояка. При заливке ОФ в направлении боковой поверхности стояка отражение струи моделирующей жидкости происходит подобным образом как при заливке ОФ со сферическим зумпфом с последующим многократным отражением струи от наклонных поверхностей литни-ково-питающей системы (рис. 4.12,6).
Изменение высоты пика при заливке ОФ с зумпфом в виде половины тора также оказывает определенное влияние на гидродинамическое воздействие струи моделирующей жидкости (рис. 4.16). Так, при увеличении высоты пика струи при заливке ОФ уменьшается. В результате применения разработанной конструкции литниково-питающей системы, влияние динамического воздействия струи при заливке ОФ сведено к минимуму.
Наиболее благоприятным условием заливки оболочки без опорного наполнителя является применение ОФ с зумпфом в виде половины тора, при заливке которой динамическое воздействие струи оказывается минимальным. Ее применение позволило снизить максимальное гидродинамическое давление в ОФ при ее заливке на 62-64 % по сравнению с ОФ с полусферическим зумпфом и на 69-72 по сравнению с ОФ с цилиндрическим зумпфом.
