Содержание к диссертации
Введение
Раздел I. Исследование физико-механических и теплофизических свойств материалов модели и оболочки 27
1. Исследование механических характеристик материалов оболочек 27
1.1. Испытание на изгиб 27
1.2. Испытание на кручение 29
1.3. Результаты исследований 30
2. Исследование физико-механических свойств модельных составов. 31
3. Определение коэффициентов термического расширения (КТР) модельного сотава и керамики оболочек 34
3.1. Методика определения КТР модельных составов 34
3.2. Определение КТР керамики 37
3.3. Измерение перемещений при определении КГР материала оболочек........ 44
4. Определение коэффициентов тепло- и температуропроводности материалов (методика испытаний и ее реализация)... 48
5. Определение коэффициентов тепло- и температуропроводности при учете влияния контактных термических сопротивлений 56
6. Выводы 67
Раздел II. Термомеханические напряжения в двухслойном шаре при изменении внешней температуры по произвольному закону 68
1. Постановка задачи. 69
2. Задача теплопроводности 70
3. Асимптотическое решение задачи теплопроводности при малых значениях числа 73
4. Определение напряжений в оболочке при линейном нагреве поверхности сферы 74
5. Решение задачи в случае задания внешней температуры произвольным законом... 80
6. Выводы 82
Раздел III. Расчет тепловых режимов выплавления модельного состава.. 84
I. Расчет температур и напряжений в ободочке при различных режимах нагрева. 84
1.1. Построение алгоритма 84
1.2. Примеры расчета 86
2. Расчет допустимых скоростей нагрева оболочки в зависимости от ее толщины, предела прочности керамики и размеров модели 93
2.1. Построение алгоритма 93
2.2. Результаты расчета 94
3. Выводы 95
Раздел ІV. Экспериментальное исследование процесса выплавления модельного состава в цехе точного литья ПО Ростсельмаш 96
1. Постановка задачи исследования. Подготовительная серия экспериментов.. 96
2. Исследование зависимости качества керамических оболочек форм от термического режима выплавления модельного состава 98
3. Изучение пространственного распределения температур в камере выплавления модельного состава и на поверхности блоков 100
4. Интерпретация экспериментальных данных и результатов расчета 106
5. Исследование трещинообразования в оболочках в зависимости от их расположения в блоке и расположения блоков на конвейере. Влияние каналов истечения модельного состава
6. Выводы П5
Общие выводы 117
Литература 119
Приложение 136
- Исследование механических характеристик материалов оболочек
- Задача теплопроводности
- Построение алгоритма
- Постановка задачи исследования. Подготовительная серия экспериментов..
Введение к работе
В плане развития народного хозяйства СССР на 1980-1985г.г. и на период до 1990г. указывается, что основной задачей промышленности на данной этапе является повышение технического уровня и эффективности производства, коренное улучшение качества продукции [92] .
Для решения этой задачи в области литейного производства намечено повысить качество и точность отливок за счет совершенствования существующих и внедрения новых технологических процессов.
В связи с этим должен увеличиться удельный вес специальных видов литья, в частности, литья по выплавляемым моделям.
Качество отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям, во многом определяется качеством изготовления керамических оболочек форм. В свою очередь качество оболочек определяется составом и свойствами керамики и связующих материалов, технологическими режимами изготовления оболочки (обмазка модели, сушка, выплавление модельного состава и прокалка). Одним из наиболее важных с этой точки зрения является режим выплавления модельного состава.
В настоящей работе поставлена задача изучения термомеханики выплавления модельного состава, построена математическая модель,описывающая напряженно-деформированное состояние оболочки с целью поиска технологических решений, направленных на снижение напряжений в оболочках и повышение их качества.
Ниже приводится анализ состояния вопроса о взаимодействии керамической оболочки с выплавляемой моделью. Дан обзор работ по исследованию механических напряжений, возникающих в ободочках различной формы при изменении температуры. Рассмотрены методы и сред- ства исследования физико-механических и теплофизических характеристик материалов. Сформулированы цели настоящей работы.
В I разделе изложена разработка методов и аппаратуры для исследования физико-механических и теплофизических свойств различных материалов, применяемых в технологии точного литья. Даны результаты испытаний материалов, используемых для изготовления ободочек форм в цехе точного литья ПО Ростсельмаш.
Во П разделе рассмотрена задача термоупругости для двухслойного сферического тела, состоящего из разнородных по свойствам материалов ядра и оболочки. Дан метод расчета термомеханических напряжений в оболочке при изменении внешней температуры по произвольному закону.
В Ш разделе произведен расчет тепловых режимов выплавления модельного состава для конкретных материалов. В удобной для пользования форме дана методика расчета оптимального режима ведения процесса. ІУраздел посвящен экспериментальному исследованию процесса выплавления модельного состава в цехе точного литья ПО Ростсельмаш. Проанализированы причины трещинообразования оболочек форм. Предложены рекомендации по изменению конструкции камеры выплавления модельного состава и технологии ведения процесса.
Исследование механических характеристик материалов оболочек
Для расчета напряжений и деформаций в оболочках по формулам, полученным, в результате теоретического анализа, необходимо определение основных механических свойств применяемых материалов:предела прочности, модуля Юнга, модуля сдвига. Модуль Юнга и предел прочности определяются при испытаниях на изгиб, модуль сдвига -при испытаниях на кручение.
Учитывая, что свойства материалов зависят от многих технологических факторов, в частности от режима приготовления и нанесения суспензии, количества и состава слоев, режима сушки и пр., различные механические свойства необходимо было определять на одном образце с последующим его разрушением для определения прочности. Этот факт вынудил пойти на некоторые отклонения от методов испытаний, регламентированных ГОСТами.
Задача теплопроводности
В инженерной практике нередко возникают задачи исследования напряженного состояния объектов, состоящих из разнородных материалов при различных внепших воздействиях. Различие в физико-механических и теплофизических свойствах материалов, составляющих конструкцию, приводит к возникновению напряжений при изменении внешних условий.
В работе [э] рассмотрена задача линейного нагрева двухслойного сферического тела применительно к актуальной проблеме литья по выплавляемым моделям - выплавлению модельного состава из керамической оболочки. При этом принято условие коэффициенты температуропроводности модельного состава и керамики оболочки соответственно.
Иначе говоря, принято, что время прогрева оболочки пренебрежимо мало в сравнении с временем прогрева ядра. Практически такое условие выполняется далеко не всегда. Так, для литья по выплавляемым моделям соотношение (I) справедливо при расчете напряжений в оболочках, предназначенных для изготовления средних и крупногабаритных отливок. При массовом производстве мелких стальных отливок величины & и д соизмеримы и условие (I) не выполняется.
В данной главе выведены формулы для расчета температур и напряжений в оболочках при произвольных термических воздействиях и произвольных соотношениях О І% /&О0 .
Построение алгоритма
Полученные во П главе формулы для расчета температур и напряжений в оболочках запрограммированы для случая изменения внешней температуры Тб (/ по кусочно-линейному закону
Для расчета должны быть заданы количество участков кривой внешней температуры - /г , начальная температура оболочки Т0 » шаг вычисления по времени щ , время окончания процесса "iK , геометрические размеры модели и оболочки % и & , значения параметров кривой Ti({) —fa , Si (іІ н) и значения времен іі(о с н)ш Кроме того необходимо задать теплофизические и физико-механические характеристики материалов модели и оболочки - коэффициенты тепло-и температуропроводности, модули упругости, коэффициенты Пуассона и коэффициенты термического расширения. После вычисления всех необходимых промежуточных переменных вычисляются первые 10 корней характеристичиского уравнения - ри . Далее переменной с (время) присваивается первое значение, равное временному шагу , и начинается цикл по переменной I . Внутри цикла проверяется условие нахождения заданного значения времени в интервале -., s i і с , где с = 1,2,... /2/ . При выполнении условия вычисляются значения температуры, радиальные и тангенциальные напряжения на границе оболочка-модель и тангенциальные напряжения на свободной границе. Затем проверяются условия і "it и в &/, , где а - температура на границе оболочка-модель, SUA - температура плавления модельного состава. При выполнении обоих условий значение времени і увеличивается на величину шага « и вычислительная процедура повторяется. При невыполнении одного из условий управление передается на заголовок цикла. Если значение- превышает величину Іі % управление также передается на заголовок цикла. Вычислительная процедура заканчивается по достижении переменной С значения ft .
При вычислении температур и напряжений в оболочке используются асимптотические и "точные" формулы. Установлено, что удержание первых 10 членов ряда в "точных" формулах дает совпадение значений температур и напряжений с их значениями, рассчитанными асимптотическими методами точностью до пяти значащих цифр в интервале изменения числа фурье 0,0I3 Fo 0,017. Число Фурье определяется как Fo-Qot/7o , где йо - температуропроводность модельного состава; % - радиус модели.
В программе вычисление температур и напряжений в оболочке ведется по асимптотическим формулам, если Fo 0,015 ,и по "точным" формулам, если Г О 0,015.
Приведем некоторые примеры расчета температур и напряжений в оболочке при различных температурных режимах нагрева ее поверхности4.
Постановка задачи исследования. Подготовительная серия экспериментов
В соответствии с выводами [9,70j повышение скорости нагрева на начальном участке выплавления модельного состава снижает температурные напряжения в оболочках, что ведет к снижению брака керамических форм в результате растрескивания. Для экспериментальной проверки этого факта в условиях цеха были выбраны изделия, имеющие наибольшую тенденцию к образованию трещин. Партия изделий разделена на две группы,и выплавка модельного состава проведена с различными скоростями нагревания для разных групп. При этом скорости нагрева экспериментальных и контрольных блоков имели значительное отличие, тогда как остальные факторы (состав и вязкость суспензии, продолжительность сушки, номер ряда на конвейере в печи выплавки и прокалки и пр.) полностью совпадали.
Для реализации температурного режима выплавления с повышенной скоростью нагрева в камере выплавки было прорезано окно в месте входа блоков в горячую зону (на уровне 8 линии конвейера).
В это окно при помощи специальных приспособлений вносились испытуемые блоки и ставились на конвейер. Контрольные блоки помещались в тот же ряд в начале конвейера. Таким образом, для контрольных блоков обеспечивался нагрев с обычной скоростью, принятой в технологическом процессе цеха.
При установке как испытуемых блоков, так и контрольных строго фиксировалось положение блока на конвейере по отношению к месту подвода горячего воздуха.
Для оценки качества испытуемых и контрольных блоков подсчиты-валось количество трещин в деталях, оценивалась их глубина, под- считывалось количество потерь деталей в результате обламывания у питателя.
Исследование образования трещин у различных изделий дало следующие результаты.
Увеличение скорости нагрева блоков в экспериментальной группе позволяет уменьшить количество трещин в оболочках более чем в 2 раза.
Если в контрольных блоках наблюдались обширные сквозные трещины, то в блоках, подвергавшихся интенсивному нагреву на начальной стадии выплавления,трещины носят поверхностный характер. Трещины в оболочках в основном локализуются с левой стороны блока, если смотреть со стороны загрузки. Трещин заметно больше в верхней части блока (ближе к колпачку). После прокалки количество трещин во всех блоках увеличивается и их локализация становится менее четкой.
Исходя из полученных результатов,сформулированы дальнейшие задачи экспериментальных исследований следующим образом. Исследовать в достаточном объеме на наиболее типичных деталях трещинообразова-ние на участке выплавки моделей при различных скоростях нагрева в печи выплавки.
