Автоматизированное проектирование системы питания крупногабаритных корпусных отливок из легких сплавов

УДК 621.74:658.512.2

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОРПУСНЫХ ОТЛИВОК ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

К.В. Моисеев, аспирант, А.Ф. Смыков, докт. техн. наук, Д.В. Бережной, канд. техн. наук

Предложена методика для проектирования систем питания крупногабаритных корпусных отливок из легких сплавов и ее реализация в виде пакета прикладных программ.

Методика разработана на основе решения задач расчета распределения температуры металла в форме после ее заполнения, определения параметров прибылей и технологических средств воздействия на направленность затвердевания, в том числе с помощью технологических напусков и холодильников, устанавливаемых во внутреннем песчаном стержне.

При решении задач использованы методы математического моделирования теплофизических процессов, происходящих при затвердевании отливки в форме.

Проверка разработанных программных средств в производственных условиях показала их эффективность.

Ключевые слова: автоматизированное проектирование, корпусная отливка, система питания, технологические средства воздействия.

Computer-Aided Design of the Feeding System of Large-Size Hollow Light Alloy Castings. K.V. Moiseyev, A.F. Smykov, D.V. Berezhnoy.

A procedure for design of feeding systems of large-size hollow light alloy castings and realization of the procedure in the form of an application programme package is offered.

The procedure is developed on the basis of solution of the tasks in the field of calculation of distribution of metal temperature in the mould after its filling, determination of parameters of casting heads and technological means of action on solidification orientation including the use of the technological surpluses and chills located in the internal sand core.

For solution of the tasks use was made of methods of mathematical simulation of thermal physics processes which follow during casting solidification in moulds.

Testing of the developed software under working conditions showed its effectiveness.

Key words: computer-aided design, hollow casting, feeding system, technological means of action.

Известно, что под питанием кристаллизующейся отливки понимается процесс поступления в нее жидкого металла для компенсации усадки. Суть этого процесса сводится к обеспечению направленности затвердевания металла от наиболее удаленных участков отливки к прибыли, которая должна затвердевать в последнюю очередь. При этом все усадочные дефекты выводятся в прибыль, что обеспечивает получение плотной отливки. Соответственно направленность затвердевания в литой заготовке оценивается по времени затвердевания прибыли (элементов питания),

выделенных в отливке узлов и сечений в протяженных тонких элементах. Его расчеты составляют основу системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) литья крупногабаритных корпусных отливок из легких сплавов.

Условие питания расплавом от прибыли к подприбыльному узлу для разных сплавов и методов литья предложено Ю.А. Нехедзи [1] и выражается отношением

X /х

зп' зм ' \ '

где

- время затвердевания прибыли;

зп

тзм - время затвердевания питаемого узла;

к=1,1-1,4- коэффициент, определяющий условие непрерывного питания.

Этот критерий удобен для расчета прибыли или проверки условий последовательного затвердевания и непрерывного питания между сопряженными узлами, но затруднителен в применении для анализа затвердевания протяженных элементов.

Условия питания затвердевающей отливки зависят от морфологии процесса затвердевания, т.е. строения и расположения формирующейся твердой фазы, которая определяется свойствами сплава и интенсивностью охлаждения отливки.

При последовательном затвердевании питание отливки осуществляется за счет движения расплава по каналу, образованному между затвердевающими корками металла. В этом случае для оценки непрерывности питания протяженного элемента в работе [2] в качестве критерия предложен относительный временный градиент вт:

6=ДТз/Д/Тз,

где Дтз - разность во времени затвердевания двух сечений («питающего» и «питаемого»), расположенных на расстоянии Д/ друг от друга; тз - время затвердевания в верхнем сечении участка Д/.

При объемном затвердевании главную роль в питании отливки играет процесс фильтрации расплава по междендритным и внут-ридендритным каналам строения кристаллизующегося сплава. В этом случае непрерывность фильтрационного питания определяется равенством скорости фильтрации и скорости усадки сплава. На основании этого условия, а также с учетом того, что протяженность зоны фильтрации зависит от среднего градиента температуры в( в зоне и разности температур начала t и конца ^ фильтрационного питания для данного сплава, получен следующий критерий непрерывности питания [3]:

где ^ - скорость затвердевания в зоне фильтрации;

ц - коэффициент динамической вязкости; е, - коэффициент усадки сплава при затвердевании; т- средняя доля жидкой фазы в зоне

фильтрации сплава; Кп - коэффициент проницаемости;

ДР - перепад давлений на участке фильтрации.

Так как У1=у/в, где V - скорость охлаждения в зоне фильтрации, то критерий Кв с учетом выражения (3) может быть также представлен в следующем виде:

Условием получения плотной отливки в зависимости от морфологии процесса затвердевания и с учетом выражений (2) и (4) служат неравенства:

^

в' кр'

к,

КЛР

Величины критических значений критериев (вт)кр и (Кв)кр зависят от допустимой пористости отливки. Так, для сплава МЛ5 величина (Ке)к =2,4-105 К-с/м2 при микропористости не более 1 % и (Кй)кр=3,9-104 К-с/м2 при отсутствии макропористости [4].

Для расчета критериев и Кв стенку отливки разбивают на участки в соответствии с ее конфигурацией. В пределах одного участка не допускается ступенчатых изменений его поперечного сечения. Кроме того, не должно быть значительного (более 20 %) изменения скорости движения расплава в пределах участка вследствие уменьшения металлостатического напора в стояках по мере заполнения формы расплавом. На этом основании определяются размеры участков.

Разделение протяженного элемента отливки на участки необходимо, прежде всего, для расчета распределения температуры расплава по высоте (длине) элемента в конце заливки формы. Значение этой температуры требуется для нахождения времени затвердевания протяженного элемента и градиента температуры на разных уровнях X,, соответствующих границам участков (\=1,...,Ы, где N - число участков). Уровни X отсчитываются от

массивного элемента или прибыли, питающих протяженный элемент.

Для определения распределения температуры в протяженном элементе со стороны сопряженного с ним массива операционным методом Лапласа была решена математическая модель одномерного температурного поля с соответствующими краевыми условиями.

С привлечением критериев Gz и Кв разработаны методики для анализа пористости в тонкостенных, протяженных элементах литых корпусов из магниевых сплавов и проектирования технологических средств воздействия по устранению дефектов усадочного происхождения в них. Так, размеры технологических напусков на вертикальных протяженных стенках отливок определяются на основе анализа значений этих критериев с учетом дистанций действия прибылей и массивов узлов в литой заготовке.

Основой для определения размеров прибыли служит рациональное соотношение в уравнении (1) между временем затвердевания массива отливки тзм, на котором установлена прибыль, и временем затвердевания самой прибыли тзп. Величина тзм определяется методом поузлового расчета [5]. Для расчета размеров прибыли используется уравнение теплового баланса прибыли, учитывающее морфологию затвердевания сплава:

Опр^

где Опр - теплота, выделяющаяся при затвердевании прибыли;

ЗДот - теплота, отводимая от прибыли в сопряженные с ней участки поверхностей (форма, отливка, открытая поверхность, экранированная поверхность и т.д.). В расчетах Опр учитывается объем металла, расходуемый на компенсацию усадки самой прибыли и отливки. Статьи теплового баланса, ответственные за отвод тепла от прибыли ЗДот, включают различные условия теплообмена на граничащих с ней поверхностях.

Расчет холодильника выполняется с целью уменьшения времени затвердевания массива (бобышки, фланца и др.) до требуемого значения хтр, позволяющего исключить нару-

шение условия направленного затвердевания и непрерывного питания участка отливки, т.е. убрать термический узел. Его параметризация сводится к определению размеров собственно холодильника и толщины слоя краски на его поверхности (при выбранном материале холодильника и составе краски). Толщина холодильника и слоя краски на нем находится из решения уравнения теплового баланса для захолаживающего термического узла с учетом прогрева холодильника за время затвердевания массива. При этом коэффициент теплоотдачи от отливки в холодильник определяется без учета термического сопротивления газового зазора ввиду его малой величины:

а=Х /8 .

х кх' кх 4 '

где - коэффициент теплопроводности краски;

8кх - толщина слоя краски.

Алгоритм расчета реализован в итерационном режиме, т.е. подбор толщины холодильника или слоя краски на нем осуществляется до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое значение времени хтр.

Разработанные расчетные методики вошли в состав пакета прикладных программ (ППП) проектирования технологических процессов литья крупногабаритных корпусов из легких сплавов в кокиль с внутренним песчаным стержнем. Пакет состоит из двух блоков:

- первый блок отвечает за расчет литниковой системы и режимов заливки, обеспечивающих качественное заполнение формы расплавом (определяются и учитываются скорости течения расплава по каналам формы, рассчитывается распределение температур в расплаве после его заполнения формы);

- второй блок отвечает за получение отливки без усадочных дефектов (рассчитываются размеры прибыли, анализируются условия непрерывности питания в узлах и элементах отливки, проектируются технологические средства воздействия на затвердевание).

ППП прошел производственное опробование при проектировании технологических процессов отливок класса «корпус» по заказу промышленности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нехедзи Ю.А. Стальное литье. - М.: Машиностроение, 1968. - 768 с.

2. Десницкий В.В. Автоматизированное проектирование технологии изготовления отливок. - Л.: ЛГУ, 1987. - 164 с.

3. Неуструев А.А. Формализация условий фильтрационного питания литых заготовок//Обра-ботка легких и специальных сплавов. - М.: ВИЛС, 1996. С. 228-238.

4. Токарев В.А., Неуструев А.А., Токарев А.И.

Расчет зоны действия прибыли и размера технологического напуска при литье сплавов в песчаные формы//В сб.: Прогрессивная технология и применение ЭВМ в литейном производстве. - Ярославль, 1989. С. 20-29.

5. Неуструев А.А., Моисеев В.С. Автоматизированное проектирование технологических процессов литья. - М.: МГАТУ, 1994. - 256 с.