Содержание к диссертации
Введение
1. Пригар, способы его предупреждения и удаления 11
1.1. Причины и механизм образования пригара, классификация способов его оценки 11
1.2. Современные методы изготовления форм с равномерным распределением плотности, обеспечивающие получение отливок с чистой поверхностью 14
1.3. Современные методы удаления пригара 16
1.4. Анализ рабочего процесса дробеметных аппаратов и рекомендаций по выбору режимов дробеметной очистки и оборудования 19
1.5. Выводы 31
2. Цель и задачи исследований 33
3. Модель формовочной смеси, стержня и пригара 37
3.1. Модель формовочной смеси, стержня и пригара 38
3.2. Механизм разрушения смеси, стержня, пригара и эффективные параметры потока дроби 43
3.3. Выводы 65
4. Исследование влияния технологии формообразования на величину пригара 67
4.1. Прессование многоплунжерной головкой 67
4.2. Прессование перемещающимися устройствами локального действия (ПУЛД) 70
4.3. Автоматическое регулирование степени уплотнения формы и ее влияние на величину пригара 74
4.4. Выводы 79
5. Научные основы технологии дробеметной очистки 82
5.1. Среда из частиц ..82
5.2. Исследование суперпозиции двух потоков .90
5.3. Оценка поверхностной плотности потока дроби 92
5.4. Количественная оценка пригара 100
5.5. Математическая модель факела дроби 106
5.6. Выбор технологических режимов дробеметной очистки 121
5.7. Выводы 121
6. Использование результатов исследований при разработке научно-технических решений и их внедрение в промышленности 125
6.1. Внедрение автоматизированной формовки с регулируемой степенью уплотнения 125
6.2. Разработка и внедрение научно-технических решений для дробеметного разрушения пригара 132
6.3. Выводы 133
7. Основные выводы 135
8. Литература 138
- Современные методы изготовления форм с равномерным распределением плотности, обеспечивающие получение отливок с чистой поверхностью
- Анализ рабочего процесса дробеметных аппаратов и рекомендаций по выбору режимов дробеметной очистки и оборудования
- Механизм разрушения смеси, стержня, пригара и эффективные параметры потока дроби
- Автоматическое регулирование степени уплотнения формы и ее влияние на величину пригара
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема получения отливок с чистой, без пригара, поверхностью имеет важное народнохозяйственное значение, поскольку ее решение позволит уменьшить массу отливок, сократить объем механической обработки, снизить массу машин и внести вклад в снижение энерго- и металлоемкости национального дохода. Особое значение эта проблема приобретает для литья в сырые песчано-глинистые формы, на долю которого приходится до 2/3 всего выпуска отливок.
Большой вклад в разработку представлений о механизме образования пригара, создание теории и практических рекомендаций по получению отливок с чистой поверхностью, в том числе и по удалению пригара, внесли П.Н.Аксенов , П.П.Берг , Ю.Ф.Боровский, А.А.Бречко, И.В.Валисовский, В.А.Васильев, Ю.П.Васин, Б.Б.Гуляев, С.П.Дорошенко, В.Б.Дудниченко, О.А.Корнюшкин, Ф.Д.Оболенцев, Г.М.Орлов, А.П.Трухов, В.И.Хен-кин, А.Н.Цибрик, и др.. Установлено большое количество факторов, относящихся к металлу, формовочной смеси и ее компонентам, способу формообразования, степени уплотнения формы, размерам и скорости дроби, влияющих на чистоту поверхности отливок. Некоторые факторы, например, влияние степени уплотнения на величину пригара, практически не изучались.
Особое значение с научной и практической точек зрения имеет дробеметная очистка. Рабочие параметры процесса: диаметр, количество и скорость дроби, угол атаки и время обработки, в зависимости от величины пригара и площади отливки, пораженной им, практически не изучались.
Существенное значение имеют вопросы о количественной оценке пригара и расчете необходимых энергетических затрат на его удаление.
Особые требования к чистоте необработанной поверхности отливок в сравнении с различными отраслями машиностроения необходимо обеспечить для текстильного машиностроения, что обусловлено его специфической особенностью - запушаемостью, приводящей к резкому увеличению обрывности ровницы, пряжи, нити и т.п.
Цель работы - получение отливок с чистой, без пригара, поверхностью на основе обобщения и развития представлений о формообразовании, разработке теории и технологии режимов дробеметной очистки отливок.
-7-Для достижения цели решены следующие задачи:
разработка физической модели смеси,стержня и пригара;
обобщение механизма разрушения дробью смеси, стержня и пригара;
исследование влияния плотности формы на величину пригара;
исследование распределения плотности по объему формы при различных методах уплотнения;
разработка метода контроля и регулирования степени уплотнения формы при прессовании перемещающимися устройствами локального действия (ПУЛД);
теоретическое обоснование энергетической модели факела дроби - среды из твердых упорядоченно движущихся невзаимодействующих частиц;
разработка и исследование метода и прибора для количественной оценки пригара;
разработка и экспериментальная проверка математической модели факела дроби;
разработка и практическое применение методики расчета технологических режимов дробеметной очистки отливок;
использование теоретических положений для разработки научно-технических решений и их внедрение в промышленности.
Цель и задачи работы определены в соответствии с планами по новой технике и повышения эффективности производства на ПО"Узбектекстильмаш" 1971-1975, 1976-1980, 1980-1985 г.г.
Научная новизна. Установлено, что структура и физическая модель для формовочной смеси, стержней и пригара имеют общий вид, и на этой основе осуществлено обобщение представлений о механизме их разрушения. Установлена зависимость между степенью уплотнения формы и величиной получаемого пригара, и показана возможность контроля и получения заранее заданной степени уплотнения смеси ПУЛД. Предложена энергетическая модель факела дроби, представляющая собой среду из упорядоченно движущихся невзаимодействующих частиц, характеризуемая плотностью энергии, интенсивностью и поверхностной плотностью, обосновано влияние этих характеристик на напряженное состояние (разрушение) формы (стержня, пригара). Разработаны основные теоретические положения для системы "поток дроби - плоскость отливки", базирующиеся на современной термодинамике - минимизация энергетических затрат. Разработан комплекс математиче-
-8-ских моделей, описывающих теорию технологии получения отливок с заданной чистотой поверхности. Теоретически и экспериментально установлена возможность количественной оценки пригара. Разработана методика (процедура, аналитические зависимости, блок-схема) расчета режимов дробеметной выбивки стержней и очистки поверхностей от пригара в установках различных типов в зависимости от производительности аппарата, закона перемещения очищаемой поверхности (конструкции агрегата), величины пригара и ad - прочности на сжатие стержней, размеров и скорости дроби в факеле. Для реализации
этой методики осуществлено теоретическое обобщение рабочего процесса дробеметных аппаратов.
Практическая ценность. На основе новых научных положений и результатов исследований установлены статистические и эмпирические зависимости газопроницаемости формы и величины пригара от степени уплотнения, влияния влажности смеси на плотность формы и на этой основе разработан и внедрен метод лопастного прессования, обеспечивающий по сравнению с другими наиболее равномерную плотность смеси в различных зонах с обеспечением контроля и регулирования твердости формы в заданном диапазоне. Новый метод формообразования легко поддается автоматизации и обеспечивает снижение массы отливок на 5...6% за счет стабилизации их размеров.
Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования от момента формирования факела дроби, определяемого геометрическими и кинематическими параметрами аппаратов, до взаимодействия дроби с формой (стержнем, пригаром) с количественными оценками очищающей способности потока дроби и прочности разрушаемого материала. Предложены аналитические методы определения режимов выбивки и очистки в дробеметных установках различных типов, в т.ч. с использованием аппаратов повышенной производительности, созданы способ и прибор для оценки прочности пригара (стержня), новые конструкции дробеметных аппаратов, даны конкретные решения по регулировке потока дроби, автоматическому регулированию качества очистки и др..
Реализация результатов работы. Разработки и рекомендации на основе настоящей работы внедрены в объединениях Узбектекстильмаш, Узбексельмаш, Ташсельмаш, ЗИЛ, Уралмаш, Брянских заводах дорожных и ирригационных машин, в учебном процессе Ташкентского государственного технического университета ив др. организациях. Исполь-
зование материалов работы позволило получить экономический эффект 1669,3 тыс. рублей (в ценах до 01.04.91г.).
На Всесоюзном конкурсе ЦП НТО Машпром фрагменты работы отмечены дипломом.
Основные положения, выносимые на зашиту.
1. Степень уплотнения смеси в форме в экспоненциальной зависимости влияет на
величину пригара и может регулироваться по моменту сопротивления на лопастных прес
сующих элементах.
Формовочная смесь, стержень, пригар имеют одну и ту же модель, которая по своему поведению при динамических нагрузках аналогична упруго-хрупкой фазе, к которой по структуре и механическим свойствам относятся грунты и горные породы.
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение энергетической модели факела дроби, представленного в виде среды из упорядоченно движущихся невзаимодействующих частиц, характеризуемой плотностью энергии, интенсивностью, поверхностной плотностью, и влияние этих характеристик на процесс разрушения пригара на отливках.
Обобщенные представления о механизме разрушения пригара, заключающемся в том, что самые напряженные зоны находятся на контуре давления и на линии взаимодействия дроби с пригаром. По мере деформации, образовавшиеся в этих зонах по межзерновым связям, трещины смыкаются и разделяют материал на отдельные песчинки или блоки частиц. На этой основе выявлены рациональные параметры взаимодействия потока дроби с пригаром на отливках (угол атаки дроби, необходимое количество и энергия дроби, и ДР-).
Метод и прибор для количественной оценки величины пригара.
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение математической модели факела дроби, представляющей произведение законов распределения дроби по окружности и в осевом направлении ротора дробеметного аппарата.
Метод и зависимости аналитического расчета режимов дробеметной выбивки и очистки отливок, заключающийся в сравнении требуемой плотности энергии потока Нотл для разрушения пригара (стержня) определенной прочности (оценка по прибору) с плотностью потока Н , обеспечиваемого оборудованием, с учетом закона перемещения
-10-очищаемой поверхности, размеров, скорости и подачи дроби в аппараты (Нотл <Ну).
Личный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также вместе с соискателями и сотрудниками научных групп, в которых автор был научным руководителем. При этом автору принадлежит: постановка проблемы и задач теоретических и экспериментальных исследований; непосредственное участие в создании экспериментальных установок; разработка основных методик проведения экспериментов и обработки результатов; непосредственное участие в опытах, обработке и интерпретации их результатов; написание подавляющего большинства статей и докладов.
Результаты теоретических исследований, обобщенные в представленной работе, получены автором на основе личного научного творчества.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на двух Всесоюзных съездах литейщиков, на 8 Всесоюзных, на 8 республиканских конференциях, на двух конференциях литейщиков республик Средней Азии и Казахстана, на трех областных и отраслевых научно-технических конференциях. Отдельные фрагменты работы обсуждены и одобрены в АН Узбекистана на научнотехнических Советах Минлегпищемаша и Минтяжмаша.
На Всесоюзном конкурсе ЦП НТО Машпром фрагменты работы отмечены дипломом.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 работ, в т.ч. одно учебное пособие, получено 11 авторских свидетельств. Без соавторов опубликовано 25 работ.
Обший объем работы и структура. Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 513 наименований. Основная часть содержит 174 страницы машинописного текста, 73 рисунка и 24 таблицы.
Современные методы изготовления форм с равномерным распределением плотности, обеспечивающие получение отливок с чистой поверхностью
Каждому из методов уплотнения форм присущ ряд недостатков технологического характера, главным из которых является технологически неравномерное распределение плотности смеси в форме.
Качество отливки - размерная и весовая точность, чистота поверхности во многом определяются методом формовки и являются предметом изучения многих специалистов [11,14, 15,47,133,149,150,391, 393,401,411,414, 415,418,436, 446,457-459, 468,494, 505,510,511].
Для встряхивания неравномерность набивки заключается в отсутствии достаточного уплотнения в верхней части форм, местная рыхлость около углов опоки, на вертикальных и крутонаклонных стенках модели, значительная разница в величине уплотнения на вертикальных и горизонтальных участках рабочей полости формы.
При прессовании при заданном удельном давлении переуплотняются надмодельные объемы смеси и недоуплотнены участки, примыкающие к стенкам моделей, что ограничивает область применения метода. Более благоприятное распределение плотности имеет место при прессовании профильными колодками [7,152, 170], многоплунжерными головками [7,131, 132,152, 169,171, 279], гибкой диафрагмой [25,170] и другими специальными методами прессования [20, 26, 159, 402, 422, 513].
При уплотнении встряхиванием основными факторами, определяющими режим процесса, является число ударов и высота подъема встряхивающего стола. На характер распределения плотности в форме число ударов существенного влияния не оказывает. Чрезмерное же увеличение числа ударов приводит к расслоению формы [ 170]. Высота подъема стола, также как и число ударов является строго определенной величиной для конкретных условий уплотнения.
При прессовании режим уплотнения характеризуется величиной действующего давления и скоростью прессования. Для получения одной и той же степени уплотнения смеси требуется тем большее давление, чем менее продолжительно его действие. Как известно из теории уплотнения [4, 7, 19, 363] при медленном уплотнении формовочной смеси она находится в равновесном состоянии с прилагаемыми внешними напряжениями и процесс уплотнения в каждый данный момент является законченным. При быстром нагружении смесь находится в неравновесном состоянии. Разработаны методы регулирования скорости прессования для формовочных машин с индивидуальным гидроприводом [7].
Главная трудность автоматизации процессов встряхивания и прессования заключается в их двухстадийности [27]: дозирование и уплотнение смеси. Вместе с тем, даже автоматическое дозирование при прессовании [152] не обеспечивает достаточной стабильностью подачи смеси в опоку, что приводит к значительным отклонениям плотности формы. С этой точки зрения достаточно перспективным является метод уплотнения при помощи устройств локального действия - вращающимися лопастными рабочими органами [89, 90, 246, 253, 277, 329, 330, 355].
Основной задачей при решении проблемы получения качественных отливок является получение стабильной и равномерной плотности формы в ее объеме.
Для управления процессом уплотнения смеси с целью достижения заданной плотности формы проводятся исследования и разработаны методы и устройства [ 7, 8, 12, 13, 49, 73, 222, 364, 386, 395, 396, 398, 399, 408, 413, 435, 437- 440, 443, 464, 467, 470, 482-484], которые по методу контроля степени уплотнения классифицируют [7, 209] на прямые и косвенные.
К числу устройств прямого контроля относятся авторегуляторы, принцип действия которых основан на измерении сил сопротивления уплотняемой в форме смеси при внедрении в нее щупа [112, 209, 222], или регулятора, основанные на измерении пропорциональных плотностей уплотняющих сил или давлений [7, 153, 209, 250]. Эти приборы не нашли применения в связи с недостаточной точностью измерений и низкой надежностью. К приборам с непосредственным замером уплотненности путем продувки смеси сжатым воздухом относится авторегулятор [76, 222], который, к сожалению, не фиксирует влияние переменных факторов смеси (влага, зернистость и т.п.).
Предложен ряд устройств контроля плотности смеси при проведении исследовательских работ [2, 209, 250, 346, 371] с применением индуктивных, магнитоупругих, емкостных, пьезоэлектрических и др. преобразователей, которые встраиваются в модель или подмодельную плиту, существенно усложняя оснастку.
При контроле плотности по времени уплотнения и числу встряхиваний используют электромеханическое реле времени (фирма "Germann" США [222]), механический счетчик числа ударов системы В.С.Спасского [222], гидравлический [7, 209, 222] и пневматический [209] клапаны истечения и др. [212]. Эти устройства также не обеспечивают точность и стабильность измерений плотности в процессе изготовления форм.
Развитием этих систем контроля являются устройства, в которых за меру уплотняющего воздействия при встряхивании принимают удельную работу, сообщенную смеси за определенное количество ударов стола [1]. К таким регуляторам относятся разработки В.С.Спасского, Б.А.Лукенберга [209], Л.М.Зарубина [125, 126], Н.Т.Жарова [222], польская конструкция [251] и ряд других [7, 212]. Однако, как показывают данные НИИЛИТМАШа [209] большинство из рассмотренных устройств не имеют практических перспектив для промышленного внедрения.
Определенный интерес представляют электрические и электрофизические методы определения плотности смеси, использующие электронные свойства формовочной смеси. В работах [151, 152] приведена схема определения плотности по ЭДС, однако, она предназначена для исследовательских работ. Прибор [32], основанный на измерении проводимости смеси в зависимости от изменения ее плотности, имеет недостаток, заключающийся в существенном влиянии физико-механических свойств смеси на точность измерений.
При электрофизических методах контроля плотности используют ядерные процессы, протекающие в смеси при воздействии на нее источника радиоактивного излучения. Такие методы [75,166,167, 256], несмотря на их перспективность, используются редко и только для исследовательских целей.
Анализ рабочего процесса дробеметных аппаратов и рекомендаций по выбору режимов дробеметной очистки и оборудования
Несмотря на то, что первый патент на дробеметный аппарат выдан еще в прошлом веке, только в 1930 г. Грохоль и Шеманн создали в Германии дробеметный аппарат с гравитационной подачей дроби на лопасти. Через несколько лет американскими фирмами "Wheelabrator" и "Pangborn" были разработаны соответственно двухдисковый и одноди-сковый импеллерные аппараты. В 1939 году появились дробеметные аппараты с воздушной подачей дроби на лопасти, разработанные немецкой фирмой "Gutmann". С тех пор фирмы традиционно придерживаются запатентованных ранее решений и всемерно совершенствуют их. Например, только фирмы "Wheelabrator" и "Pangborn" за 40 лет получили более 120 патентов на дробеметные аппараты, из них 60% до 1944 г. [122,123,185]. Дробеметное оборудование за рубежом выпускают около 30 фирм [52].
В технической литературе можно встретить классифицирование дробеметных аппаратов как по способу подвода дроби в аппарат [192, 217, 487], так и по расположению и конструкции лопастей [69].
С нашей точки зрения первая классификация является наиболее удобной и, используя распространенные в технике термины, может быть принята с учетом появившихся пока только в литературе аппаратов с использованием электромашиной) поля в следующем виде: 1. Аппараты с механической системой подачи дроби на рабочие лопасти (рис.1.4.1) -МПД. 2. Аппараты с воздушной (пневматической или нагнетательной) системой подачи дроби на рабочие лопасти (рис. 1.4.2) - ВПД. 3. Аппараты с гравитационной системой подачи дроби на рабочие лопасти (рис. 1.4.3) - ГПД. 4. Аппараты с всасывающей системой подачи дроби на рабочие лопасти [444]. 5. Аппараты с электромагнитной системой подачи дроби. Рассмотрим существующие конструкции дробеметных аппаратов по предложенной нами классификации.
К первой группе относятся широко распространенные апараты моделей 392М и 393М (правый и левый), отличающиеся друг от друга только направлением вращения ротора и конструкцией нескольких деталей [66]. ЦКБ ВНИИЛИТМАШ разработаны аппараты моделей 390П и 390Л, 391П и 391Л аналогичной конструкции [98]. В конце 9-й пятилетки завод "Амурлитмаш" освоил выпуск гаммы дробеметных аппаратов улучшенной конструкции [182] различной производительности [122,184,185]. В работах [54, 62, 63, 77, 118, 142, 160, 182, 221, 244, 245, 248, 316, 336, 369, 379, 388, 400, 416, 502, 503] приводятся конструкции аппаратов МПД, отличающиеся от рассмотренных габаритными размерами, конструкцией отдельных деталей и производительностью.
Аппараты этого типа изготовляются в России и за рубежом: в США, Англии, Японии, ФРГ, и др. Эти аппараты при скорости вращения до 3000 об/мин обеспечивают выброс более 500 кг дроби в минуту. Американской фирмой "Wheelabrator" выпускается созданный ею аппарат, в котором лопасти крепятся пружиной [98,192]. Некоторые заводы СНГ в соответствии со стандартом [85,86], а также зарубежные фирмы США, Англии, Японии, ФРГ и Италии используют однодисковые импеллерные турбины, в которых лопасти устанавливают при помощи пазов, выполненных в форме "ласточкина хвоста" и крепят винтами (США) или прижимными кольцами (СНГ). Аппараты "Pangborn" (США) при мощности до 50 квт обеспечивают подачу до 1400 кг дроби в минуту [173].
К этой же группе относится аппарат [181], характерной особенностью которого является несколько смещенная относительно оси подача дроби в турбину на метательные лопасти.
В работах Г.М.Орлова [223,227] и [497] указывается возможность применения им-пеллерных турбин, в которых лопасти могут быть отклонены от радиуса как в сторону противоположную вращению колеса, так и в сторону вращения. Экспериментальными работами и анализом теории доказана целесообразность использо- вания импеллерных турбин, лопатки которых отклонены назад на угол 15...20 [138,227], а также придание ребристости метательной поверхности [71,100,101]. Имеется опыт расположения лопастей под углом 6 к плоскости, проходящей через ось вращения ротора. Четные лопасти наклонены вперед по ходу вращения ротора, а нечетные - назад (Pangborn Europa, модель 210-6П1).
С целью увеличения пропускной способности аппаратов по дроби в 1,5...2 раза практикуют применение конических импеллеров (патент США N2 7088814),а также конусных торцовых поверхностей распределительной камеры импеллера [373].
На некоторых предприятиях применяется импеллерный аппарат с секторными лопастями, имеется опыт применения криволинейных лопастей [188-191]. По предложению [102] создан метательный ротор с шарнирно установленными лопастями. К первой группе относятся дробеметные аппараты с вертикальным валом [317] и двухярусным расположением лопаток [68], создающие факел в горизонтальной плоскости.
Вторая группа аппаратов характерна тем, что дробь на рабочие лопатки подается под напором воздуха от специального вентилятора, которым комплектуются дробеметные очистные агрегаты. Такими аппаратами оснащаются очистные машины, выпускаемые фирмой "Gutmann" (ФРГ). Фирмой "Baker Perking LTD" (Англия) выпускаются аппараты
Механизм разрушения смеси, стержня, пригара и эффективные параметры потока дроби
"Форма" по своему поведению при динамических нагрузках аналогична упруго-хрупкой среде, которая по своим механическим свойствам и структуре сходна с грунтами и горными породами. На этой основе механизм разрушения всех слоев формы принимается по идее автора и В.И.Хенкина [352] для пригара с дальнейшим ее развитием В.Б.Дудни-ченко [114] для стержня.
Главными специфическими особенностями процесса разрушения хрупких сред являются: быстрое распространение разрушающих напряжений по поверхности хрупкого тела (отсутствие предварительных пластических деформаций); наличие структурных дефектов (слабых мест), расположенных не только внутри, но, главным образом, по поверхности хрупкого тела [114,с.31].
Процесс разрушения рассматриваемых зон системы протекает аналогично процессу разрушения других хрупких тел и в значительной степени зависит от неоднородности напряженного состояния смежных микро- и макроучастков.
Для всех рассмотренных зон, начиная от формовочной смеси и стержней, подвергшихся минимальному прогреву как при тепловой сушке, так и после заливки формы металлом, и кончая краевой зоной пригара "д", неоднородность вызывается, во-первых, внутренними дефектами, к которым относятся микрорайоны, обладающие наибольшей пористостью, составленные из частиц более крупных размеров или имеющих неблагоприятную ориентировку. Во-вторых, неоднородность вызывается остаточными напряжениями, унаследованными от предшествующих напряженных состояний в периоды уплотнения, упрочнения химическим или тепловым методом, а также при кристаллизации металла отливки, ее предусадочного расширения и усадки. В третьих, неоднородность напряжений вызывается дефектами и искажениями самих зерен и вещества их связывающего. Наибольшее значение имеют структурные дефекты (поры, микротрещины и включения), которые, главным образом, и обусловливают хрупкость рассматриваемой среды. Поры, различного рода микротрещины и границы структурных составляющих (зерен песка, оксидов, фаялита, металла и т.п.) нужно рассматривать как вероятные очаги концентрации напряжения, наличие которых определяет наиболее ослабленные места.
При ударе дроби о форму в результате их динамического взаимодействия образуются три зоны деформации. Первая зона (разрушения) характерна тем, что в ней напряжения по величине достигают критических. В этой зоне форма разрушается по межзерновым связям и в свою очередь вовлекает в процесс деформации окружающие их объемы. Следовательно, основным признаком зоны разрушения является потеря сцепления между отдельными песчинками. Разрушение формы во всех ее зонах "а-д" происходит в первую очередь по поверхностям, наиболее ослабленным различного рода микротрещинами. За зоной разрушения располагается вторая зона (пластических деформаций), в которой напряжения не достигают критических. Деформации в этой зоне проявляются в виде сдвига или скольжения без нарушения целостности формы. Третья зона (упругих деформаций) характерна релаксацией напряжений в ней после прекращения действия нагрузки от ударного воздействия дроби. Упругая деформация в форме - результат изменения расстояний между зернами песка. Поскольку в рассматриваемом случае межзерновые связи не нарушены, зерна песка по мере уменьшения нагрузки до ее снятия возвращаются в свое исходное положение. При ударных нагрузках пластическая зона деформации из-за кратковременности протекания ударного процесса и преобладанием упругости над пластичностью в межзерновой связке практически не образуется, и зона разрушения переходит непосредственно в зону упругих деформаций. Исходя из природы хрупкого разрушения, можно предположить, что между этими основными зонами возникает промежуточная - предразрушения. Эту зону можно рассматривать как результат многократного наложения полей напряжения. Действующие в этой области напряжения, хотя и не достигают критических значений и не вызывают нарушения сплошности деформируемой среды, создают условия для дальнейшего развития процесса разрушения [114].
Разрушение формы под воздействием удара дробью определяется, таким образом, величиной и распределением местных напряжений. При оценке напряженного состояния в зоне динамического контакта исходят из решения статической контактной задачи [114, 211, 249,352,370]. При этом допускается, что материалы контактируемых тел отнородны и изотропны, на гладкой поверхности касания отсутствуют силы трения, размеры тел безграничны по сравнению , с размерами площадок контакта, а характер деформации чисто упругий. Принимая во внимание, что эта методика может быть распространена на случаи, где эти допущения соблюдаются не полностью [241], ее можно применить и для случая упруго-пластического контакта [211,249,352].
Для рассмотрения взаимодействия дроби с формой наиболее близко подходит случай силового контакта шара с плоской поверхностью тела [114, 352]. Если представлять систему "форма-отливка" в виде многослойного тела (материала), тогда на поверхности сопряжения смежных зон "а-е", а также разнопрочных слоев внутри каждой зоны, при обработке дробью возникают касательные напряжения, в связи с различными модулями упругости материалов слоев и зон, которые способствуют разрушению. Таким образом, рассмотрение системы "форма-отливка" как многослойного материала позволило бы несколько уточнить количество дроби, необходимое для разрушения формы, но это уточнение приводит к значительному усложнению расчетов, в то время как при относительной простоте методик, приведенных в работах [114, 352], допущение об однослойности тела удовлетворяет практическим требованиям производства.
Автоматическое регулирование степени уплотнения формы и ее влияние на величину пригара
Основным параметром процесса формовки, обеспечивающим получение качественных отливок, является степень уплотнения литейных форм. Для системы автоматического регулирования плотности, когда оно сводится к прекращению процесса уплотнения по достижении определенной величины давления под лопастями, основным поакзателем качества процесса является точность регулирования в установившемся режиме и в переходном процессе при торможении привода рабочих органов.
Для изыскания резервов повышения точности процесса необходим конкретный анализ всех его особенностей с тем, чтобы выявить основные источники возникновения погрешностей и определить меры, способствующие уменьшению их влияния. где д - плотность смеси г/см , до- начальная плотность г/см , Р - удельное давление прессования МПА, С - коэффициент уплотняемости, нами получено уравнение процесса при лопастном прессовании, определяющее зависимость между плотностью смеси, конструктивными параметрами лопастей и рядом переменных факторов где D - диаметр лопасти в см, а - угол подъема винтовой линии лопасти в градусах, р - угол трения смеси и лопасти, п - число оборотов лопасти в минуту, - коэффициент, определяющий зазор между лопастями, / - ток в цепи статора электродвигателя привода в амперах, U - напряжение питающей сети в! вольтах, cosy? - коэффициент мощности электродвигателя привода, rjm - к.п.д. механизмов привода, rjge - к.п.д. электродвигателя приво-да. Выражение (4.3.2) получено при 5о = 1 г/см и является регулировочной характеристикой системы.
Параметром регулирования системы является величина тока в цепи статора электродвигателя привода рабочих лопастей.
Системы с контролем по току целесообразно использовать только в тех случаях, когда качество формы обеспечивается при отключении одновременно всей группы рабочих органов, имеющих общий привод, или когда каждый шпиндель приводится во вращение от индивидуального электродвигателя.
Исходя из конструкций моделей и расположения их на плите, технологически необходимо обеспечить в некоторых случаях дифференцированное отключение уплотняющих элементов по мере возрастания плотности под каждым из них. Подобные задачи встречаются при формовке в больших опоках или когда на подмодельную плиту монтируется несколько наименований моделей с различными конструктивными элементами. В этом случае рационально устанавливать общий привод для группы рабочих шпинделей с их независимым отключением. Поэтому возникает задача контроля нагрузок на каждом шпинделе, пропорциональных степени уплотняемости смеси под лопастями.
Для систем, где параметром регулирования является момент упругих сил на шпинделе, нами подучена регулировочная характеристика следующего вида
Количественная связь между величинами, входящими в (4.3.2) и (4.3.3), описана при помощи математического метода оптимального планирования эксперимента. При этом за основу принято выражение (4.3.2), как более общее. Путем предварительного анализа отобраны четыре фактора "входа", оказывающих существенное влияние на точность воспроизведения регулируемой величины. Диапазоны варьирования приведены в таблице 4.3.1. Используя метод регрессивного анализа, выражение (4.3.2) апроксимируем уравнением, имеющим вид
В результате расчета, произведенного при помощи матрицы планирования, получены основные коэффициенты регрессии и эффекта взаимодействия всех сочетаний по четырем переменным. Анализ результатов показал, что основное влияние на точность воспроизведения регулируемой величины оказывает коэффициент уплотняемости С, который, в свою очередь, является функцией степени влажности смеси при заданном постоянном ее составе.
При практической разработке метода контроля и регулирования степени уплотнения и исследовании стабильности воспроизводимости результатов (усреднением замеров на 10 формах) установлено, что на лопасти возникает момент технологических сопротивлений, пропорциональный плотности смеси и направленный в сторону, противоположную крутящему моменту электродвигателя. При возрастании нагрузки увеличивается ток электро двигателя, и при достижении заданной плотности дается сигнал на выключение вращения шпинделя. Плотность д, сила тока / и момент технологических сопротивлений М связаны зависимостями (рис.4.3.1а,б) Для практического регулирования твердости Т рекомендовано соотношение (рис. 4.3.2) где "а" - коэффициент, равный 75,016;73,337 и 71,276 при соответствующих влажно стях смеси 4,4 %, 5,0 % и 5,5 %.
Экспериментальные исследования (рис.4.3.3) позволили установить, что при изменении твердости Т поверхности формы от 60 до 90 ед. по твердомеру, величина пригара N на отливках (рис.4.3.4), определенная прибором, разработанным нами [233], уменьшилась для разных смесей от 142 до 96 ед. или от 47 до 14 ед. по полученной зависимости где "а" и "Ь" коэффициенты, зависящие от физико-механических и технологических свойств смеси (табл.4.3.2). 1. Увеличение степени уплотнения смеси в форме снижает величину получаемого пригара по экспоненциальной зависимости. Процесс лопастного прессования обеспечивает высокую равномерность (±4 ед. по твердомеру) плотности в объеме формы и позволяет регулировать степень уплотнения. 2. Прессование при давлениях 0,95-1,3 МПа с дифференцированной допрессовкой многоплунжерной головкой обеспечивает получение форм с достаточной для практики равномерностью распределения плотности по объему (±5 ед. по твердомеру). 3. Установлены экспоненциальные зависимости плотности смеси от силы тока в цепи привода ПУЛД и момента сопротивлений на шпинделе прессующих лопастей, которые могут служить параметром для автоматического регулирования.
