Введение к работе
Актуальность темы. Особенности гидродинамики заполнения литейной формы в поле действия центробежных сил позволяют изготавливать самые разнообразные отливки производственно-технического и культурно-бытового назначения. Отливки, полученные методом литья с центрифугированием расплава, имеют более плотную структуру, пониженное содержание усадочных пор, газовых и неметаллических включений. Кроме того, данный метод позволяет изготавливать тонкостенные сложнопрофильные отливки практически из всех видов сплавов, из сплавов с низкой жидкотекучестью, а также в жидко-твердом состоянии.
Между тем, метод литья с центрифугированием расплава пока не находит широкого применения в промышленности. Это связано с тем, что гидродинамические особенности течения расплава по каналам вращающейся литейной формы до конца не исследованы. В связи с этим возникают трудности при разработке технологии литья и проблемы с качеством отливок: вращающиеся формы заполняются хуже, чем неподвижные, отливки получаются с многочисленными поверхностными дефектами, неслитинами и складками оксидных плен. Основные причины низкой пропускной способности литниковых систем, обусловлены потерей динамического напора расплава при повороте потока в горизонтальную плоскость на установках с вертикальной осью вращения формы и проскальзыванием расплава в металлоприемнике мимо устьев коллекторов. Кроме того, в большинстве случаев, конфигурации отдельных элементов литниковых каналов (коллекторов) выполняются произвольно, без учета гидродинамических особенностей течения расплава. Применение таких коллекторов приводит к излишнему торможению, нарушению сплошности и утонению потока, и, как следствие, к браку отливок. Указанные проблемы сдерживают применение литья с центрифугированием расплава в промышленности несмотря на известные преимущества данного метода.
Таким образом, задача совершенствования конструкций литниковых систем при производстве фасонных отливок на установках центробежного литья с вертикальной осью вращения является особенно актуальной.
Цель работы заключается в изучении гидродинамических особенностей течения расплава по каналам вращающейся литейной формы и разработке новой конструкции литниковой системы, обладающей
повышенной пропускной способностью и возможностью получения качественных отливок со сложной рельефной поверхностью.
На основе анализа процесса формирования отливок в поле действия центробежных сил, существующих конфигураций элементов литниковых систем и причин их низкой пропускной способности были поставлены следующие задачи исследований:
1. Изучить особенности течения потока в металлоприемнике,
характер свободного истечения расплава и его влияние на течение потока в
коллекторах различных конфигураций.
Разработать теоретические зависимости для расчета основных гидродинамических параметров процесса литья с центрифугированием расплава.
Разработать конструкцию литниковой системы с повышенной пропускной способностью для литья с центрифугированием расплава и методику расчета ее элементов.
4. Провести опытно-промышленную апробацию предложенной
конструкции литниковой системы при изготовлении фасонных отливок из
легкоплавких сплавов методом литья с центрифугированием расплава.
Научная новизна работы.
Установлены причины низкой пропускной способности элементов литниковых систем, связанные с деструктивным влиянием центробежной силы в основании металлоприемника, потерей начального динамического напора и тормозящим воздействием стенки коллектора, приводящие к нарушению сплошности и разрыву потока.
Показана принципиальная возможность управления движением потока по каналам литниковой системы с учетом естественного течения расплава, обеспечивающая повышенную пропускную способность и формирование напорного режима течения.
Получено уравнение, описывающее траекторию свободного истечения потока из металлоприемника в зависимости от скорости вращения формы, объема заливаемого расплава и положения отверстия истечения.
Получены зависимости для расчета элементов литниковой системы конфузорного типа, обеспечивающие высокую пропускную способность и напорный режим течения по каналам вращающейся литейной формы.
Практическая значимость работы.
Разработана конструкция литниковой системы, включающая металлоприемник конфузорного типа; коллектор, выполненный с учетом свободного истечения потока из металлоприемника; щелевой питатель.
Разработаны методики расчета основных гидродинамических параметров и конструктивных элементов литниковой системы конфузорного типа.
Предложены рекомендации по использованию литниковой системы конфузорного типа при изготовлении фасонных отливок из легкоплавких сплавов методом литья с центрифугированием расплава.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач
исследования, проведении экспериментальных исследований
гидродинамических особенностей течения потока по каналам литниковых систем, теоретическом и экспериментальном описании характера свободного истечения потока из металлоприемника, в обработке и анализе полученных результатов, формулировании выводов.
Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту.
1. Принципы конструирования литниковых систем основанные на
обеспечении высокой пропускной способности и напорного режима
течения расплава по каналам вращающейся литейной формы.
2. Уравнение, описывающее траекторию свободного истечения
потока из металлоприемника в зависимости от скорости вращения формы,
объема заливаемого расплава и положения отверстия истечения.
3. Методика расчета конструктивных элементов литниковой системы
конфузорного типа, учитывающая особенности течения расплава по
каналам вращающейся литейной формы.
Апробация работы.
Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на всероссийской НТК «Новые материалы и технологии», г. Москва, 2006; на III международной научно-практической конференции «Информационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения «ИТМ-2008», г. Казань, 2008; на V международной научно-технической конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, 2009; на V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», г.
Москва, 2009; на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону», г. Вологда, 2010; на ежегодных научно-технических конференциях ВлГУ, г.Владимир.
Публикации. По теме диссертации получен патент РФ и опубликовано 9 печатных работах в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях, из них 3 научных статьи, рекомендованные ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников. Изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 59 рисунков, библиографический список содержит 120 наименований.
