Введение к работе
В настоящее время в машиностроении широко применяют отливки из серого чугуна, получаемые методами литья в песчаные формы с помощью дождевых литниковых систем. Однако при их изготовлении достаточно часто выявляются дефекты типа «королек», газовая раковина и пористость количество которых иногда достигает 20 и более процентов. Решение проблемы повышения качества таких отливок во многом зависит от достоверности и эффективности применяемых методов проектирования литниковых систем и назначения параметров заливки.
Для решения подобной задачи российскими и зарубежными исследователями выполнен ряд важнейших теоретических и экспериментальных исследований, которые включают в себя решение задач начального этапа проектирования (выбор положения отливки в форме, места подвода питателей), а также изучение процесса заполнения полости формы расплавом и затвердевания отливок. Это позволило достичь определенных успехов в области создания методов моделирования литейных процессов и методик расчета литниковых систем.
В тоже время проведенный анализ показывает, что надежные методики расчета дождевых литниковых систем пока отсутствуют, недостаточно изучены особенности течения расплава в дождевой литниковой системе, нет надежных методов расчета процесса охлаждения при течении расплава, не сформулированы условия выбора оптимальных параметров литья. Поэтому проблема проектирования дождевой литниковой системы для отливок из чугуна с учетом выбора ее оптимальных размеров и параметров, литья, обеспечивающих необходимое качество отливок является весьма актуальной.
Поэтому целью работы является: повышение качества отливок из серого чугуна за счет выбора конструкции и расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы на основе исследования процесса истечения расплава.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
теоретическое и экспериментальное изучение процесса истечения расплава из отверстий литниковой системы, установление зависимости между параметрами струи и возникающими в отливке дефектами;
-
изучение взаимодействия падающей струи с ванной расплава, определение критической силы удара струи, обеспечивающих получение отливок без характерных дефектов;
-
теоретическое и экспериментальное изучение процесса теплообмена при истечении расплава из отверстий литниковой системы;
-
разработка методики проектирования и расчета размеров дождевой литниковой системы и параметров заливки для отливок из чугуна;
5) проведение промышленных испытаний и опробование основных результатов исследования и методики расчета. Научная новизна работы:
-
установлено, что возможны три механизма истечения расплава из отверстий дождевой литниковой системы: струйный, фрагментарный, капельный, предложено критериальное уравнение, описывающее условия распада струи, доказано существование взаимосвязи между условиями истечения и образованием дефектов в отливке;
-
теоретически обосновано и экспериментально определено существование критической силы удара струи о поверхность расплава в полости формы, которая определяется условиями истечения, показано, что есть взаимосвязь между величиной силы удара и образованием газовых дефектов в отливке;
-
доказано существование области гарантированного заполнения, границы которой определены критерием характера течения расплава и силой удара, предложена обобщенная математическая модель истечения расплава из отверстий дождевой литниковой системы, позволяющая рассчитать ее размеры, параметры заливки, выбор которых обеспечивает получение отливок без традиционных литейных дефектов.
Практическая значимость работы:
-
разработана и опробована в производственных условиях методика расчета дождевой литниковой системы для отливок из серого чугуна, обеспечивающая определение размеров литниковой системы и параметров заливки, позволяющая до минимума снизить уровень брака отливок;
-
разработан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать процесс истечения расплава из отверстий дождевой литниковой системы, его взаимодействие с ванной расплава, образование газовых дефектов в отливках, который внедрен в учебный процесс;
-
разработан пакет прикладных программ автоматизированного проектирования дождевых литников систем, включающий решение технологических задач расчета размеров литниковой системы, выбора параметров заливки, расчета скоростей и температур.
Результаты работы в виде прикладных программ и методик проектирования литниково-питающих систем используются в учебном процессе на кафедре Материаловедения, литья, сварки РГАТА имени П. А. Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Научные положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту:
1) критическое значение силы удара струи, полученное на основании экспериментального исследования процесса методами гидромоделирования исте-
чения расплава, накладывающее ограничения на параметры литья и размеры дождевой литниковой системы;
-
математическая модель процесса истечения расплава из отверстий лит-никово-питающей системы;
-
методика расчета параметров литья и размеров дождевой литниковой системы, позволяющая значительно сократить вероятность возникновения дефектов отливок на стадии заполнения полости формы расплавом.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов имени П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинск, 2006 г., на Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ в различных журналах и сборниках научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 218 страницах машинописного текста, содержит 30 таблицы, 71 рисунков, 189 наименований российских и зарубежных библиографических источников.
