Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ изготовления алюминиевых отливок гравитационным способом литья 8
1.1. Общие представления об алюмокремниевых сплавах, их структуре и свойствах 8
1.2. Литниково-питающие системы для литья силуминов 20
1.3. Способы воздействия на структуру и свойства металлических сплавов 25
1.4. Влияние НЭМИ на свойства чистых металлов и сплавов 33
1.5. Компьютерное моделирование литейных процессов 39
1.6. Определение цели и задачей исследования 44
Выводы к главе 1 48
ГЛАВА 2. Методы и методика исследования технологий литья отливок из силумина 50
2.1. Симплекс-метод решения оптимизационных задач 50
2.2. Метод физико-механических испытаний 52
2.3. Метод металлографического анализа 52
2.4. Метод рентгенофазового анализа 53
2.5. Метод термометрирования процесса кристаллизации 53
2.6. Метод компьютерного моделирования 54
2.7. Методика оценки дефектности коллекторов 56
2.7.1. Подготовка отливки к определению дефектности 58
2.7.2. Получение каталога и карты дефектов 59
2.7.3. Итоговая таблица и анализ результатов измерений 60
2.8. Методика измерения физико-механических свойств литейных стержней 61
2.9. Методика обработки кристаллизующегося сплава НЭМИ 68
2.9.1. Экспериментальная установка с диэлектрическим материалом между электродами 68
2.9.2. Установка работы генератора импульсов без диэлектрика 71
Выводы к главе 2 74
3. Исследование технологии литья отливок особо сложной конфигурации из силумина 76
3.1. Анализ процесса получения литейных сплавов в условиях опытного производства ООО «ЧТЗ-Уралтрак» 76
3.2. Измерение физико-механических свойств литейных стержней 79
3.3. Анализ конструкции литниково-питающей системы для производства коллекторов из сплава АК7ч 87
3.3.1. Анализ базовой технологии литья 88
3.3.2. Анализ разработанной технологии литья 90
3.4. Результаты исследования влияния импульсного электромагнитного поля на структуру и свойства сплавов АК12 и АК7ч 93
3.4.1 Результаты металлографических исследований 98
3.4.2 Результаты термометрирования кристаллизационных процессов 104
3.4.3 Результаты физико–механических испытаний полученных образцов 108
3.5. Применение электроимпульсной обработки алюминиевого сплава при литье отливки «коллектор» 112
Выводы к главе 3 114
4. Теоретические положения и анализ результатов экспериментальных исследований 116
4.1. Разработка блок-схемы программы расчета оптимального состава шихты 116
4.2. Обработка результатов измерения деформационных параметров формовочной смеси и их применение в СКМ ЛП «ProCAST» 119
4.3 Жидкостно – кластерная модель 131
4.4 Механизм влияния НЭМИ на кристаллизацию силумина 135
4.4.1 Математическая модель исследуемой системы 141
4.5 Программная реализация математической модели 143
Выводы к главе 4 147
5. Промышленная апробация разработанной технологии 149
5.1. Программа расчета оптимального состава шихты 149
5. 2. Корректировка деформационной модели литейного стержня для решателя «ProCAST» 150
5. 3. Расчет экономических параметров производства сложнопрофильных отливок при внедрении разработанной технологии 152
Выводы к главе 5 160
Заключение 160
Библиографический список 164
Приложения 171
- Компьютерное моделирование литейных процессов
- Итоговая таблица и анализ результатов измерений
- Результаты исследования влияния импульсного электромагнитного поля на структуру и свойства сплавов АК12 и АК7ч
- Обработка результатов измерения деформационных параметров формовочной смеси и их применение в СКМ ЛП «ProCAST»
Введение к работе
Актуальность. Широкое распространение алюмокремниевых сплавов для изготовления различных деталей, а также увеличение спроса на данный вид продукции в последние 10-15 лет требуют постоянного совершенствования технологии плавки и литья алюминиевых сплавов.
По объемам применения отливок из алюминиевых сплавов лидером является машиностроительная отрасль. Из силуминов отливают блоки цилиндров, головки блоков, поршни, корпуса, а в последнее время номенклатуру дополнили детали систем управления, ходовой части, отдельные элементы кузова машин. Коллекторы новых дизельных двигателей жидкостного охлаждения 4Т 371 и 6Т 370 на перспективные тракторы серии Т4 и Т6 для промышленности и сельского хозяйства также предполагается отливать из алюмокремниевого сплава. Такая востребованность алюминиевых сплавов с кремнием в качестве основного легирующего элемента объясняется высоким уровнем эксплуатационных характеристик изготавливаемых деталей и хорошими литейными свойствами сплава такими как: низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая жидкотекучесть и минимальная усадочная пористость.
Однако эффективное производство алюминиевых отливок напрямую связано с высокими требованиями к качеству сплава, к размерной точности литых деталей, а также к их эксплуатационным и специальным свойствам. Высокие требования к качеству сплава определяют строгие ограничения по количеству возврата в используемой шихте и жесткий контроль химического состава сплава. Конфигурация отливки влияет на изменение линейных размеров при её затвердевании и на характер заполнения литейной полости. Получение плотной мелкозернистой структуры силумина с выделением избыточных фаз в компактной форме, особенно в условиях использования низкокачественной шихты (с повышенным содержанием железа), обеспечивает заданный уровень свойств алюминиевых изделий.
Одним из современных направлений повышения производительности труда и улучшения качества продукции является применение автоматизированных вычислений на стадии проектирования технологических процессов. Актуальным остается задача совместного использования прикладных программных пакетов и универсальных системам инженерного анализа. Среди последних ведущей является система ProCAST, позволяющая моделировать все этапы литейного производства, за исключением процесса плавки металла, с максимально возможным количеством варьируемых технологических параметров. Отсутствие в системе деформационной модели для литейной формы сдерживает ее успешное использование для автоматической разработки литейной оснастки.
Перспективным способом повышения качества литейных сплавов является воздействие на расплав наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). Впервые воздействие на различные вещества локальными полями высокой напряженности изучалось профессорами Кулаковым Б.А., Крымским В.В., Знаменским Л.Г. и Ри Хосеном. Со временем оформились три основных направления воздействия НЭМИ: на различные водные растворы, на жидкие углеводороды, на расплавы металлов и сплавов. В указанных направлениях неизученным остается вопрос влияния НЭМИ на кристаллизующиеся сплавы металлов.
В связи с вышесказанным, создание технологий литья алюминиевых сплавов, учитывающих низкое качество шихтовых материалов, сокращающих время на подготовку расплава и разработку технологической оснастки, а также обеспечивающих повышения качества литых изделий особо сложной конфигурации с применением внешнего физического воздействия на стадии кристаллизации сплава, является актуальной задачей литейного производства.
Работа выполнена при поддержке гранта компании CCHBC EURASIA для аспирантов и молодых ученых Южно-Уральского государственного университета и отмечена именной стипендией Президента РФ.
Цель и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа имела целью повысить качество литых алюминиевых коллекторов для двигателей внутреннего сгорания, а также разработать эффективную технологию литья отливок особо сложной конфигурации из алюмокремниевого сплава. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
– провести анализ известных способов литья алюминиевых сплавов, выявить особенности и недостатки технологий производства отливок из силумина особо сложной конфигурации;
– обеспечить сокращение времени на стадии подготовки расплава и разработки технологической оснастки;
– изучить гидродинамические и тепловые процессы формирования алюминиевых отливок особо сложной конфигурации типа «коллектор»;
– повысить качество литых коллекторов из силумина за счет изменения элементов литниково-питающей системы и воздействия на ход кристаллизации расплава наносекундными электромагнитными импульсами;
– провести промышленную апробацию разработанной технологии.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые технологические решения в производстве литых деталей особо сложной конфигурации из алюминиевокремниевых сплавов при литье в холоднотвердеющие формы.
В том числе:
– получены новые данные по физико-механическим свойствам литейных стержней из -set смеси в процессе их скоростного нагрева (термошок), позволяющие рассчитывать значения затрудненной усадки силумина в системе ProCAST с точностью ± 1,5%;
– выявлена закономерность формирования плотной мелкозернистой структуры силумина, содержащего железа до 1,0%, при воздействии на расплав НЭМИ;
– уточнена математическая модель расчета критического размера зародыша твердой фазы при кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.
Практическая ценность работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина в холоднотвердеющих формах, учитывающая повышенное содержание примеси железа в сплаве.
Компьютерные программы расчета оптимального состава шихты и данные деформационной модели стержня из -set смеси для решателя термических напряжений в системе ProCAST позволяют существенно сократить время при подготовке расплава и проектировании литейной технологической оснастки.
Реализация работы. Разработанная эффективная технология производства отливок особо сложной конфигурации из алюмокремниевых сплавов прошла промышленные испытания в цехе опытного производства ООО «ЧТЗ – Уралтрак» (г. Челябинск) и успешно внедрена с суммарным годовым экономическим эффектом 100 000 руб.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на 68-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова (2010г.), 8-й Всероссийской научно-практической конференции (2010г.) и 9-й Международной научно-практической конференции в Санкт-Петербурге (2012г.) «Литейное производство сегодня и завтра», ХХХ Российской школе по проблемам науки и технологиям, посвященной 65-летию Великой Победы, при УрО РАН (2010г., Екатеринбург), II Международном конгрессе «Цветные металлы 2010» (г.Красноярск), 9th INTERNATIONAL CONGRESS "MACHINES, TECHNOLОGIES, MATERIALS" (2012, Bulgaria), Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» при СибГИУ (2012г., Новокузнецк), VII Международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным проблемам науки «Научные основы совершенствования и создания новых технологий в промышленности и энергетики» (2012г, Миасс), Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья – Основа инновационного развития экономики России» ВИАМ (2012г., Москва), Materily IX mezinrodn vdecko – praktick conference «Vdeck pokrok na pelomu tysyachalety – 2013» (Praha), 3, 4 и 5-й научной конференции аспирантов и докторантов Южно-Уральского государственного университета (2011, 2012 и 2013г.), X и XI съезде литейщиков России (2011, 2013г.г.).
На защиту выносятся следующие положения:
– методика расчета оптимального состава компонентов металлической шихты с автоматическим подбором максимально допустимого количества возврата;
– температурные зависимости изменения коэффициентов деформационной модели стержня из -set смеси;
– экспериментальные результаты влияния НЭМИ на кристаллизующийся сплав силумина;
– параметры математической модели кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности;
– способ формирования отливок особо сложной конфигурации из силумина с использованием физического воздействия на ход кристаллизации сплава.
Публикации. По теме диссертации получено одно свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ, опубликовано 19 научных статей, из них одна в иностранном журнале с системой цитирования CAS и 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований и 4 приложений; содержит 221 страницу машинописного текста, 13 таблиц, 69 рисунков.
Компьютерное моделирование литейных процессов
Разработке математической модели заполнения керамических форм тонкостенных панельных отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям, еще в 1996 году была посвящена работа Бертман В.А. [58]. В своей работе автор попыталась описать процесс заполнения формы металлом используя квазитрехмерные уравнения движения и теплопереноса и одномерное уравнение фильтрации газа через стенки формы. Компьютерная реализация полученной математической модели осуществлялась на основе метода частиц в ячейках.
Данный метод был разработан Ф. Харлоу и представляет собой модификацию метода конечных разностей (МКР). Заполнение форм тонкостенных панельных отливок затруднено из-за быстрого охлаждения расплава и влияния на продвижение фронта потока давления газа в литейной полости, которое обусловлено низкой газопроницаемостью керамической оболочки и отсутствием выпоров. Поэтому для выбора режимов заливки керамических форм необходимо одновременное исследование гидродинамических, тепловых и газовых процессов в литейной полости на стадии заполнения. В связи с этим научная задача исследования заключалась в определении полей скоростей и температур на фронте потока в зависимости от параметров заливки формы. Основу метода частиц в ячейках составляют соотношения, описывающие движение сжимаемой жидкости. Данный подход применим при скорости потока не превышающей 70 м/с. При формулировке математической модели теплопереноса в расплаве во время заполнения был принят ряд допущений:
-поле температур в расплаве по толщине литой пластины является однородным;
- керамические оболочки можно рассматривать как массивные неохлаждаемые формы;
Квазитрехмерное уравнение теплопереноса в расплаве при заполнении керамических форм было получено в результате учета в двухмерном уравнении теплопереноса теплоотвода по толщине пластины в виде отрицательного источника тепла.
При решении одномерного уравнения фильтрации газа через стенки формы принимались следующие ограничения:
-разогревом газов заливаемым металлом можно пренебречь и принять, что газовое давление в полостях форм на стадии заливки определяется сжатием газов потоком расплава;
-влиянием газопроницаемости сыпучего наполнителя на формирование газового давления можно пренебречь.
Решение совокупности описанных уравнений с учетом принятых ограничений и начальных условий представляет собой математическую модель заполнения керамических форм тонкостенных панельных отливок, изготавливаемых литьем по выплавляемым моделям. При реализации указанной модели на свободной поверхности расплава задается давление газа в литейной полости, конвективные члены в уравнении теплопереноса вычисляются с использованием распределения скоростей в металле, полученного из решения уравнений движения, а конфигурация и скорость продвижения фронта потока определяют величину площади поверхности формы, через которую фильтруется газ. Согласно методу частиц в ячейках сплошная среда представляется совокупностью частиц определенной массы. Расчет изменения картин движения проводится циклами, каждый из которых подразделяется на два этапа: расчет движения жидкости в неподвижной эйлеровой сетке ячеек и расчет движения лагранжевой сетки частиц через эйлерову сетку ячеек. На эйлеровом этапе расчетов определяются предварительные значения скорости, энергии и температур в каждой ячейке. На лагранжевом этапе расчетов происходит перемещение частиц, вследствие чего масса, количество движения, энергия и энтальпия каждой частицы вычитаются из соответствующих величин прежней ячейки (откуда частица ушла) и прибавляются к значениям в новой ячейке, куда частица переместилась. Данная модель была реализована в пакете программ на языке ПАСКАЛЬ. Пакет позволяет получать температурное поле в полости формы в различное время заполнения, исследовать особенности изменения фронта потока и определять время заливки. Однако для выявления этих величин необходимо предварительно ввести большое количество начальных условий, а с учетом наложенных ограничений, результаты расчета приобретают приближенный характер. Кроме того разработанный пакет программ не имеет возможности решения задач о движении в расплаве жидких неметаллических включений и газов, для этого необходимо решение «многокомпонентной» версии метода частиц в ячейках, что представляет собой сложную, многоэтапную математическую задачу. Данные недостатки, а также слабое развитие ЭВМ того периода не позволяли применять полученный метод для решения конкретных производственных задач, и способны были лишь слегка облегчить работу инженера–технолога. Настоящим прорывом в области компьютерного моделирования литейных процессов стали системы инженерного анализа, позволившие численно решать сложные тепловые и гидродинамические задачи на компьютере в удобные с практической точки зрения временные сроки. Такие пакеты, как MAGMASOFT, LVMFlow, ProCAST и ПОЛИГОН стали производить расчет в течение нескольких часов вместо месяцев.
Итоговая таблица и анализ результатов измерений
В настоящее время на предприятии ЧТЗ-Уралтрак контроль качества и отбраковка литых деталей производится без составления карты дефектов и регистрации места их образования. При подобной организации процесса тяжело набрать статистику выявленных недостатков и определить источник их возникновения. В связи с этим, было предложено ввести карты и каталоги, на которых все обнаруженные дефекты литья помечались бы определенной штриховкой. Подобная карта прилагается к каждой отливке, на ее основе делается вывод о годности/негодности изделия, наличие карт дефектов значительно повышает наглядность и упрощает анализ дефектности отливок, что позволяет сделать вывод о технологичности принятого способа производства.
На картах каждый тип дефектов помечается соответствующей ему штриховкой. Дефекту присваивается номер, который заносится в таблицу дефектов с указанием характерных размеров выявленного недостатка, его морфологии и заключения проверяющего о годности отливки. Виды применяемой штриховки и типы дефектов представлены на рис. 1.
Пример подобной карты и таблицы дефектов представлены в приложении 1. На карту дефектов наносятся все выявленные недостатки контролируемой поверхности, а в таблице дефектов указывается величина наиболее значимых из них. Если величина обнаруженного дефекта превышает допусковое значение, то в графе «заключение» необходимо прописать решение инспектирующего органа о дальнейшей судьбе отливки.
В качестве бланка для начертания карты дефектов использовался эскиз поверхности плиты, полученный путем построения проекций от чертежа данной детали, выполненного в формате 3D. Подобные проекции удобны для зрительного восприятия и содержат четкое изображение даже самых мелких элементов поверхности готовой отливки. В картах и каталогах фиксировали все значимые для опыта технологические параметры и реквизиты изготовления отливки.
Таблицы дефектов были выполнены в программе MS «Excel». Так как на рабочем месте инспектора отсутствует персональный компьютер и его использование в ходе проведения отливки неудобно, то заполнение полей таблицы ведется от руки, после чего документ подшивается в общий каталог протоколов осмотра данного вида отливок, а также сканируется и сохраняется в базе данных.
Итоговая таблица содержит полную информацию о количестве и размерах дефектов по различным видам.
Проводился анализ показателей:
1. общая величина дефектности;
2. природа дефектов;
3. степень рассредоточения дефектов;
4. возможность и методы устранения дефектов.
Основаниями для принятия решения о годности/негодности отливки являлись требования к качеству литья прописанные в ТТМ и указанные выше. В таблице в колонке «характерный размер» указывалась наибольшая величина дефекта, способная понизить качество изделия или перевести его в брак. Проверяющий, принимая во внимание величину выявленного дефекта, делает заключение о дальнейшей судьбе детали, прописывая все примечания, если таковые имеют место, в графе «заключение». Введение показателя дефектности Д, равного отношению суммарной площади дефектов к общей площади поверхности отливки, позволяет оценить эффективность изменений, вносимых в технологический процесс изготовления отливки, а его разбиение по отдельным видам дефектов способствует выявлению источников образования пороков литья.
Одной из главных проблем при использовании систем компьютерного моделирования является низкая точность расчета параметров затрудненной усадки сплава, что значительно увеличивает время разработки технологической оснастки и требует проведения опытных заливок для уточнения параметров литья. В связи с этим изучение этапа проектирования литейной технологии должно быть ориентировано на разработку рекомендаций по расчету термических напряжений в системе «отливка–форма», определяющих формирование затрудненной усадки сплава. Прежде всего, необходимо определить закономерности изменения прочностных свойств литейного стержня в зависимости от характера его прогрева, а также назначить параметры деформационной модели стержня, которые должны быть использованы в процессе разработки литейной технологической оснастки.
Анализ литературных и справочных данных показал, что изменение прочности песчано-глинистых и холодно-твердеющих смесей от температуры нагрева имеет линейно – упругий характер [75,76]. Использование данной зависимости путем подстановки соответствующей деформационной модели в решатель термических напряжений ProCAST обеспечит высокую точность при расчете деформаций отливки и образовании усадочных дефектов. Это позволит значительно сократить временные и материальные затраты на разработку литейной технологии за счет отсутствия необходимости в корректировке расчетных значений и отказаться от проведения опытных заливок.
Для подстановки линейно-упругой модели деформации в решатель термических напряжений необходимо задать температурные зависимости таких параметров, как модуль Юнга, коэффициент Пуассона и коэффициент термического линейного расширения (КТЛР). Для определения этих зависимостей, из холодно-твердеющей смеси изготавливались образцы, представленные на рис. 2. Стержни для определения коэффициента термического линейного расширения (а) и снятия кривых разрушения (б)
Коэффициент термического линейного расширения стержневой смеси определяли при помощи кривой изменения линейных размеров стержней, полученной на дилатометре фирмы PAULIK. Стержни имели размеры: диаметр – 5мм, высота – 10мм (см. рис.2, а).
Для определения температурной зависимости изменения модуля Юнга необходимо было провести высокоскоростной нагрев литейного стержня, моделирующий его прогрев при заливки расплава в форму. Подобный способ нагрева получил название «термошок». Для построения кривых разрушения стержни (d=20 мм и h= 50 мм, см. рис.7, б) нагревали в программируемой муфельной печи фирмы Nabertherm Gmbh, а затем разрушали на испытательной машине INSTRON 5882.
Для определения рационального режима нагрева стержня в печи и дальнейшего его разрушения на воздухе в испытательной машине необходимо было установить зависимости его прогревания Tст=f(t). Для этого построили трехмерную компьютерная модель, позволяющую смоделировать процесс нагрева стержня в расплаве и в атмосфере печи, рис. 3..
Результаты исследования влияния импульсного электромагнитного поля на структуру и свойства сплавов АК12 и АК7ч
Как было отмечено выше, в ходе данного исследования генератор наносекундных электромагнитных токов применялся в двух принципиально разных установках: с наличием диэлектрического материала между электродами и в режиме короткого замыкания. Результатом этих опытов явились образцы четырех видов, которые далее будут описаны подробнее.
Контрольный (слева) и опытный (справа) образцы, полученные в ходе эксперимента с наличием диэлектрического материала между электродами В установке первого типа с наличием диэлектрического материала между электродами изучалось возможное влияние импульсного электромагнитного поля (ИЭМП) на структуру и механические свойства сплава. Результатом этих экспериментов стали образцы в виде цилиндров с наружным диаметром равным 60 мм и внутренней полостью диаметром 15 мм, сформированной кварцевой трубкой, изображенные на рис. 29.
При первичном визуальном осмотре образцов можно было отметить более плотную поверхность цилиндров, меньшее количество газовых пор и пустот, а также более четкое воспроизведение поверхности формы, что выражалось в некотором увеличении шероховатости. Для более качественного и детального изучения влияния ИЭМП из отливок были вырезаны образцы для определения механических свойств, а также изучения макро и микроструктуры сплава,
Пробы вырезались из внешнего контура образцов, с целью изучения «глубины действия» ИЭМП в кристаллизующемся сплаве, по принципу, показанному на рис. 30. Высота проб составляла 150 мм и позволяла оценить интенсивность действия поля в зависимости от равномерности распределения заряда по длине электрода.
При отделении проб на механические испытания в полости контрольных образцов обнаруживались усадочные пустоты, в обработанных отливках подобный дефект устранялся полностью.
Получение опытных образцов по схеме с наличием диэлектрика сопровождалось более трудоемким изготовлением литейной формы, с наличием графитовых вставок. Полученные отливки показаны на рис. 31. Образцы вырезались из верхней, средней и нижней частей отливок для оценки эффекта воздействия ИЭМП на расплав по мере удаления сечения от активного электрода. По геометрическим размерам и форме полученные отливки полностью идентичны образцам полученным по первой схеме, и отличаются лишь наличием облоя по поверхности разъёма между графитовым цилиндром и песчано формой.
Небольшое визуальное отличие поверхностей опытного и контрольного образцов наблюдалось лишь в верхней части отливок, которое выражалось, как и в предыдущем случае, в более плотной структуре металла и меньшим количеством газовых дефектов.
Возможность применения генератора НЭМИ без диэлектрика и эффект влияния наносекундных токов на расплав изучались на модели для определения линейной усадки сплавов. В экспериментах использовался силумин марок АК12 и АК7ч. В качестве шихты использовались чушковые материалы. При проведении первых опытов на образцах, кристаллизующихся в поле НЭМИ, проявлялась утяжина, показанная на рис. 32.
Подобный эффект можно было объяснить избыточным влагосодержанием формы и возможным перегревом сплава, возникающим при работе генератора при непосредственном погружении электродов в расплав.
Чтобы исключить случайные погрешности эксперимента, связанные с разной влажностью форм, степенью уплотнения и возможным охлаждением сплава в процессе заливки, было принято решение использовать модель для измерения затрудненной усадки сплавов (см. рис. 13).
С одной стороны в полость формы устанавливались электроды и подключались к генератору НЭМИ, с другой стороны вставлялись кусочки медной проволоки, аналогичной той, что применялась нами в качестве электродов, для исключения эффекта захолаживания. Полученная в ходе данного опыта отливка изображена на рисунке 16.
Дальнейшие опыты с применением подобной модели не выявили наличие утяжин на обработанной части отливки. В ходе проведения экспериментов было отмечено, что на обработанной НЭМИ части отливки высота подъема металла по выпорам значительно отличается от аналогичного показателя на контрольном участке отливки.
С целью качественной оценки влияния НЭМИ на вязкость и жидкотекучесть силумина АК12 в полости формы были сделаны наколы на обрабатываемой и контрольной частях отливки. Наколы располагались на равноудаленном расстоянии друг от друга и от электродов. Ближе к электродам выполнялись отверстия диаметром 2 мм., а в центре – отверстие с диаметром 3 мм. Предполагалось после кристаллизации и выбивки отливки из формы замерить высоту наколов с каждой стороны и сравнить их между собой. По полученным данным можно было сделать вывод о зависимости между жидкотекучестью сплава и интенсивностью ИЭМП. Заливка форм производилась при температурах 700, 750, 800 и 850С с целью изучения влияния перегрева на эффективность обработки расплава НЭМИ. Полученные отливки показаны на рис. 34. По результатам измерения высоты наколов со стороны активного (А) и пассивного (П) электродов были получены данные, представленные в таблице 2. Таблица 2– Значения высоты наколов при различной Тзаливки сплава АК 12
Из таблицы видно, что наибольшее влияние на жидкотекучесть оказывается вблизи активного электрода, где действие импульсного электромагнитного поля более интенсивно. При температурах выше 750С подъём металла по отверстию выпоров отсутствует, что можно связать с резким увеличением скорости кристаллизации и повышением вязкости сплава [81-84].
После выбивки отливок из полости форм и визуальной оценки качества их поверхности, из образцов вырезались пробы для металлографических испытаний. Структура отливок, размер зерна и характер его изменения в зависимости от расстояния до электродов изучались по макрошлифам, показанным на рис. 35.
Причем по шлифам изображенным на рис. 35а оценивалось изменение формы зерен по всему объему отливки в случае с применением первого варианта установки с диэлектриком вокруг активного электрода.
На образцах из сплава АК12, полученных при работе генератора с непосредственным погружением электродов в расплав, первые пробы вырезались из отливки в непосредственной близости от мест установки электродов, на расстоянии 5 мм от активного электрода. Все последующие – с шагом 20 мм по направлению к пассивному электроду.
Цилиндрические образцы разрезались по оси вращения. Отпиленные части отливок обрабатывались на шлифовальных станках и подвергались травлению в соляной кислоте. Результаты измерений среднего размера зерен методом случайных секущих представлены в таблице 3.
Обработка результатов измерения деформационных параметров формовочной смеси и их применение в СКМ ЛП «ProCAST»
Известно, что моделирование напряженно-деформированного состояния объектов с использованием МКЭ базируется на положениях теории упругости и пластичности [66], согласно которым объемное напряженное состояние описывается законом Гука
Для определения перемещений исследуемый объект (расчетная область ) условно разделяется на конечные элементы (КЭ) определенной геометрической формы (для объемных объектов - параллелепипеды или тетраэдры). Поле перемещений в каждом КЭ описывается при помощи интерполяционных функций, обладающих следующими свойствами [60,61,98]:
- каждая интерполяционная функция ft выражает закон изменения перемещений по области КЭ, когда узловое перемещение i отлично от нуля, а все остальные равны нулю;
- каждая интерполяционная функция для КЭ в форме тетраэдра является полиномом вида
- коэффициенты, значения которых определяются через координаты узлов КЭ; V - объем КЭ;
- интерполяционная функция ft в узле / принимает значение равное 1; в остальных узлах - нулю.
Под действием внешней нагрузки в узлах каждого конечного элемента возникают внутренние силы, вектор которых для тетраэдра состоит из 12 компонентов }1 = {Вх!, Ryh RzhRx2 , Ry2, Rz2, Rx3 , Ry3, Rz3, Rx4 , Ry4, Rz4}.
Связь внутренних сил и перемещений узлов КЭ отражает уравнение где [Х] - матрица жесткости КЭ, значения элементов которой зависят от размера КЭ и механических свойств материала.
При образовании единой системы из т конечных элементов, составляющих исследуемый объект, учитываются следующие требования [66, 67]:
- условия неразрывности перемещений в узлах КЭ, составляющих модель объекта;
- условия равновесия сил в узлах этих КЭ, на основании которых справедлива зависимость
Для формирования глобальной матрицы жесткости [К\ выполняют следующие действия: из рассматриваемой модели объекта поочередно выбирается КЭ; для выбранного КЭ рассчитывается локальная матрица жесткости [К]; определяют, номера каких глобальных узлов модели соответствуют локальным номерам текущего КЭ; в глобальной матрице жесткости [К] заполняются ячейки, которые находятся на пересечении строк и столбцов с соответствующими глобальными номерами узлов модели; если в этих ячейках уже имеются значения от рассмотренных ранее соседних КЭ ввиду того, что узлы у них общие, то вновь поступающие значения в соответствующие ячейки [К] суммируются с уже присутствующими.
Формирование глобальной матрицы жесткости [К\ на основании локальных матриц [K]t можно записать: где [а,]Т - матрица связи номеров степеней свободы при глобальной (для всей области) и локальной (для текущего элемента) нумерациях.
После исключения из матрицы [К\ и векторов {q} и {P} столбцов и строк, номера которых соответствуют нулевым узловым перемещениям, определяют перемещения узлов КЭ, составляющих объект исследования, путем решения системы уравнений где [К] –1 - обратная матрица.
Полученный вектор узловых перемещений {q} используется для получения векторов деформаций {е} и напряжений {а} для каждого КЭ расчетной области, при этом учитывается соответствие между глобальными и локальными номерами узлов.
Оценка прочности объекта исследования выполняется по эквивалентным напряжениям, которые в соответствии со второй теорией прочности для хрупких материалов описываются зависимостью
Для определения пластических и вязкопластических свойств (0, H, , n) при различных температурах, включая переходные процессы, рекомендуется два метода (для модели Perzyna с линейным упрочнением):
-метод теста на растяжение (Tensile test method);
-метод теста на ползучесть (Creep test method).
Метод теста на растяжение подразумевает управляемые испытания на растяжение.
Испытания на растяжение проводятся при различной температуре и различной нагрузке. Для этого тест на растяжение должен проводиться при постоянной скорости. Значения нагрузки и напряжения должны записываться во время теста. Обычно это делается на машине Gleeble.
На рисунке 53 показаны результаты таких измерений: при низкой температуре (Tі– зеленые кривые), кривые не зависят от нагрузки. Таким образом, поведение можно определить как упругопластическое. При высокой температуре (Т3 - красные кривые) напряжение зависит от нагрузки, и нет упрочнения (вязкопластичность), так как кривые горизонтальны для данного уровня напряжения. При промежуточной температуре (T2 - синие кривые) отмечается как пластичность (с упрочнением), так и вязкопластичность.
Метод теста на ползучесть подразумевает управляемые испытания на ползучесть (пластическая деформация как функция от времени при определенной нагрузке). Испытания на ползучесть проводятся при различной температуре под различной нагрузкой (напряжением).
На рисунке 54 показаны результаты тестов на ползучесть: при низкой температуре (T1 – зеленые кривые), кривые не зависят от времени (прямые). Таким образом, поведение можно определить как упругопластическое. При высокой температуре (T3 – красные кривые) пластическая деформация повышается линейно вместе с изменением времени (только вязкопластичность). При промежуточной температуре (T2 – синие кривые) отмечается как пластичность (с упрочнением), так и вязкопластичность.
