Введение к работе
Актуальность работы. Получение отливок из алюминиевых сплавов является очень сложной задачей, так как эти сплавы имеют высокое сродство к кислороду, малую удельную массу и высокую теплопроводность, то есть эти сплавы относятся к сплавам группы А согласно классификации д.т.н. Чистякова В. В., имеющим склонность к образованию браков типа «спай», «газовая пористость», «рыхлота» (в зоне образующегося «проточного течения»). Для получения алюминиевых отливок, в основном, используются литниковые системы типа: сифонной, ярусной, вертикально-щелевой, расчет которых производится по методикам, разработанным к.т.н. Галдиным Н. М. Однако, полученные результаты не всегда позволяют получать годные корпусные тонкостенные отливки. Это связано с тем, что часть отливки становится литниковой системой для более удаленных частей, что приводит к различным усадочным дефектам. Поэтому совершенствование подачи металла в полость формы без использования ее в роли литниковой системы является очень актуальной задачей и позволит уменьшить затраты на подготовку производства и обеспечить возможность получения годных корпусных протяженных отливок. Существующие системы математического моделирования не позволяют достаточно точно и быстро выбрать необходимую литниково-питающую систему, особенно для тонкостенных алюминиевых отливок, так как не обеспечивают адекватное отображение происходящих в полости литейной формы процессов, что связано с особенностями алюминиевых сплавов (массообмен, проточно-поперечное течение). Эти условия может обеспечить верхний подвод расплава, дождевая литниковая система, которая нашла применение при получении отливок из чугуна. В тоже время в работах к.т.н. Галдина Н. М. не рекомендуется применять верхний подвод металла для литья алюминиевых сплавов, так как алюминиевые сплавы имеют большое сродство к кислороду и это может привести к повышенной окисляемости расплава. Анализ литературных данных показывает, что надежные методики расчета дождевых литниковых систем для алюминиевых сплавов отсутствуют, хотя системы такого вида получили достаточно широкое распространение в практике чугунного литья благодаря ряду преимуществ. Во-первых, подобные литниковые системы дают возможность обеспечить направленное заполнение и затвердевание отливок, что позволяет получать годные отливки, во-вторых, они обеспечивают достаточно высокий выход годного литья. Однако, как показали теоретические исследования, методик проектирования дождевых и верхних литниковых систем для алюминиевых сплавов не существует, не существует и данных о поведении алюминиевого расплава в полости формы при таком подводе, то есть возможность применения таких литниковых систем ограничена. Поэтому проблема разработки методик
расчета дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов с учетом выбора рациональных размеров, параметров заливки и условий заполнения полости форм расплавом, обеспечивающих отсутствие в отливках дефектов на стадии заполнения, является весьма актуальной.
Цель работы: Развитие теории и практики изготовления отливок из алюминиевых сплавов на основе изучения закономерностей течения расплава в дождевых и верхних литниковых системах.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных задач:
-
Теоретическое и экспериментальное изучение гидродинамических особенностей истечения алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы, исследование процесса взаимодействия падающей струи с ванной расплава и определение критического значения силы удара струи, обеспечивающих получение отливок из алюминиевых сплавов без возникновения дефекта «газовая пористость», в условиях влияния на эти процессы стенок литейной формы.
-
Определение функциональной зависимости длины «компактной» части струи алюминиевого расплава от величин напора и диаметра «дождевого» питателя.
-
Определение минимально допустимой скорости заполнения полости литейной формы алюминиевым расплавом при дождевом подводе, обеспечивающей отсутствие в отливке дефектов «спай», «неслитина».
-
Теоретическая и экспериментальная оценка процесса теплообмена при истечении алюминиевого расплава из отверстий дождевой литниковой системы.
-
Разработка математической модели процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе и на ее основе разработка методик проектирования и расчета основных параметров и исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для получения отливок из алюминиевых сплавов.
Научная новизна работы:
1. Изучен процесс истечения алюминиевого расплава из отверстий дожде
вой литниковой системы. Впервые предложен критерий, описывающий
характер течения алюминиевого расплава, который накладывает ограничения
на параметры заливки и размеры дождевой литниковой системы.
2. Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано
существование максимально и минимально допустимых скоростей заполнения
полости литейной формы алюминиевыми расплавами по критическому
значению силы удара струи о ванну и по охлаждению фронта потока расплава в
условиях дождевого и верхнего подвода.
3. Впервые предложена обобщенная математическая модель процесса истечения алюминиевого расплава в дождевой литниковой системе, позволяющая рассчитать рациональные исполняемые размеры и параметры литья, обеспечивающие получение отливок из алюминиевых сплавов без образования дефектов на стадии заполнения.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Разработаны методики проектирования и расчета исполняемых
размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов
при гравитационном литье с учетом критериев качества на стадии заполнения,
наложенных ограничений на заполняемость, и позволяющие разработать
исходный вариант технологического процесса литья.
-
Разработан пакет программ расчета на ЭВМ исполняемых размеров дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов.
-
Предложен комплексный подход к решению проблемы повышения точности и эффективности технологической подготовки процессов литья алюминиевых сплавов, заключающийся в совместном использовании методик проектирования и расчета исполняемых размеров дождевых и верхних литниковых систем и систем математического моделирования литейных процессов.
-
Разработанные методики расчета дождевой и верхней литниковых систем прошли промышленные испытания в ЗАО «Завод гидромеханизации» и в ООО «Литейно-механический завод», г. Рыбинск.
5. Результаты работы в виде математической модели, методик
проектирования и расчета исполняемых размеров дождевых и верхних
литниковых систем и программы расчета на ЭВМ исполняемых размеров
дождевой и верхней литниковых систем для алюминиевых сплавов
используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье и
сварка» РГАТУ имени П. А. Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также
курсовом и дипломном проектировании.
Диссертация выполнялась в соответствии с планом НИР «Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева».
Основные положения, которые выносятся на защиту:
-
Критическое значение силы удара струи алюминиевого расплава, накладывающее ограничения на размеры дождевой и верхней литниковых систем с целью обеспечения отсутствия в отливке газовых дефектов на стадии заполнения.
-
Минимально допустимая скорость заполнения полости литейной формы при дождевом подводе алюминиевого расплава, обеспечивающая отсутствие в отливке дефектов «спай», «неслитина» на стадии заполнения, и
накладывающая ограничения на исполняемые размеры дождевых литниковых систем.
3. Алгоритм расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для алюминиевых сплавов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием теоретических положений литейной гидравлики, теорий подобия и теории размерностей; высокой воспроизводимостью результатов при физическом моделировании и экспериментальных исследованиях; корректным применением методов математической статистики для обработки экспериментальных данных, высокой значимостью и адекватностью полученных математических моделей и корреляционных связей; и подтверждается хорошим совпадением результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также положительным результатом при опробовании разработанных методик в производственных условиях.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на XXXVI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 6 - 10 апреля 2010 г.), XXXVHI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 10 - 14 апреля 2012 г.), IV Научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (г. Самара, 27 - 30 марта 2012 г.), ХХХГХ Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 9-13 апреля 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений на 23 стр. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 101 рисунок, библиографический список имеет 201 наименование.
