Введение к работе
Актуальность темы. Известен способ получения полых отливок из цветных сплавов литьем в металлическую форму (кокиль). Данный способ имеет ряд несомненных достоинств, таких как – высокая размерно-геометрическая точность, чистота поверхности и, как следствие, уменьшение допусков на механическую обработку, высокий ресурс оснастки, а также более высокие механические свойства по сравнению с отливками, полученными в песчаных формах (особенно при использовании кокилей с водоохлажаемыми стенками) и др. Но, ввиду дороговизны и трудоемкости изготовления оснастки, усложняется переоборудование литейного участка на новый вид продукции, а, следовательно, экономический эффект от применения данного вида литья достигается в большей степени лишь при крупносерийном производстве.
С другой стороны, также известен способ получения полых отливок в футерованной форме, с неохлаждаемым металлическим сердечником, установленным по центру формы. Основные недостатки данного способа – низкие (по сравнению с кокильным литьем) физико-механические свойства, низкий ресурс формы, и более длительное время формирования отливки. Данные недостатки могут быть устранены путем замены центрального сердечника термосифоном, позволяющим за короткий временной интервал отвести большую часть тепла, выделяемого кристаллизующимся металлом, от центра отливки. При этом, ввиду интенсивного теплоотвода и, как следствие, высоких термических напряжений, возможно появление трещин на внутренней поверхности отливки.
Несмотря на положительное влияние термосифонов на процессы тепло- и массообмена, их применение при получении отливок из цветных сплавов практически не известно, а вопросы влияния теплоотвода через центральный сердечник на НДС отливок не исследованы.
Таким образом, актуальной задачей становится создание адекватной модели процесса охлаждения и затвердевания алюминиевой отливки с использованием термосифона и подбор с ее помощью таких начальных параметров, при которых отсутствие трещинообразования в отливках сочетается с вышеописанными преимуществами нового способа их получения.
Целью работы является создание модели процесса затвердевания и охлаждения полой отливки из алюминиевого сплава в футерованной форме, с учетом влияния наличия теплоотвода через центр отливки на ее напряженно-деформированное состояние, структуру и физико-механические свойства.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выполнена постановка, разработана численная схема и решены начально-краевые задачи математической физики и механики деформируемого твердого тела для определения полей температур и напряжений в отливке из алюминиевого сплава в процессе ее затвердевания и охлаждения в футерованной форме с установленным по центру термосифоном;
- исследованы поля напряжений и температур в затвердевающем металле, определены начальные параметры процесса, при которых отсутствует продольная трещина на внутренней поверхности отливки;
- установлено, что использование термосифона в качестве центрального сердечника позволяет получать отливки с мелкозернистой структурой, что, в свою очередь, повышает предел прочности на 40% и твердость на 23% при незначительном снижении пластичности.
- теоретически показано, что использование термосифона в качестве центрального сердечника меняет характер движения фронта затвердевания – от центра к внешней поверхности отливки; при значительном прогреве формы перед разливкой, имеет место направленная кристаллизация по всей высоте отливки;
Достоверность полученных результатов основана на использовании фундаментальных уравнений математической физики и механики сплошных сред, апробированных конечно-разностных схем и численных методов, сравнении экспериментальных и расчетных данных.
Практическая значимость работы. Численное решение поставленных задач, полученные результаты, а также сконструированная, изготовленная и запатентованная экспериментальная установка для получения полых отливок из алюминиевого сплава с использованием термосифона используются для промышленной отработки нового способа, позволяющего сократить время формирования отливки, повысить ее физико-механические свойства, а также срок службы оснастки.
Построенная математическая модель процесса, численный алгоритм и зарегистрированное программное обеспечение используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» и ИМиМ ДВО РАН при подготовке студентов, бакалавров, аспирантов в курсе дисциплины «Математическое моделирование» для расчета тепловых и деформационных процессов в системе «отливка-форма» при охлаждении металлов с использованием термосифона.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на следующих конференциях:
- XXXV Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е. В. Золотова, г. Владивосток, 2010;
- Всероссийская конференция «Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010;
- Вторая региональная научно-техническая конференция студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых Дальневосточного региона «Актуальные проблемы промышленных и информационных технологий», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010;
- I Дальневосточная междисциплинарная молодежная научная конференция «Современные методы научных исследований», г. Владивосток, 2011;
- XXXVI Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е. В. Золотова, г. Владивосток, 2012.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК, получен патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. В совместных работах [1-16] автор диссертационной работы выполнял экспериментальные и теоретические исследования, проводил обработку результатов. Работы [2,7,10,14] выполнены автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (78 наименований). Общий объем работы 115 страниц (в том числе 3 приложения на 14 страницах) с 51 рисунком и 4 таблицами.
