ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРЕССФОРМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ОТЛИВКОЙ И ПРЕССФОРМОЙ  В ПРОЦЕССЕ ЛИТЬЯ  МЕТОДОМ ГАЗОВОГО ПРЕССОВАНИЯ (“ГП-ПРОЦЕСС”)

А.Великов¹, С. Станев¹, А. Манева¹, Р. Диков²

¹ИМСТЦХА – БАН, София, Болгария,

²Технический Университет – София, Болгария

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРЕССФОРМА ДЛЯ ИССЛЕДО-ВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ОТЛИВКОЙ И ПРЕССФОРМОЙ В ПРОЦЕССЕ ЛИТЬЯ МЕТОДОМ ГАЗОВОГО ПРЕССОВАНИЯ (“ГП-ПРОЦЕСС”)

Исследования структуры отливок из алюминиевых литейных сплавов, отлитых методом газового прессования, показывают некоторые различия в сравнении со структурой отливок, отлитых при тех же условиях кристаллизации, но при атмосферном давлении. Различия установлены и в их физико-механических свойствах, в том числе, в прочности на растяжение, пределе текучести, относительном удлинении, плотности, коэффициенте линейного расширения, количестве тепла, необходимого для плавления и др.

Для более подробного и точного исследования теплообмена в процессе кристаллизации расплава и механизма формирования отливки, полученной методом „ГП”, сконструирована новая экспериментальная литейная прессформа.

Необходимость конструирования новой экспериментальной прессформы возникла по двум причинам. Во-первых, у существующей прессформы теплообмен можно исследовать только в стенке прессформы и в центральном стержне.

На основе закона Фурье можно определить тепловой поток, проходящий через корпус в каждый момент времени с начала заполнения прессформы расплавом до извлечения отливки:

где – тепловой поток, ; – коэффициент теплопроводности материала прессформы, . В данном случае ; – разность температур между двумя наиболее близкими к отливке термопарами, установленными в корпусе, ; - расстояние между этими термопарами, , в данном случае, .

В табл.1 приведены значения теплового потока между двумя термопарами в корпусе за весь интервал времени от начала заливки расплава до момента извлечения отливки из прессформы.

Таблица 1. Значения теплового потока между двумя термопарами в корпусе

Р, МРа	Тепловой поток q,
Р, МРа	0 s	20 s	40 s	60 s	80 s	100 s	120 s	140 s	160 s	180 s
0,1	-3948	15792	43428	75500	55322	31584	11844	-3958	-7836	-11848
7,0	-3948	15792	53298	80234	75012	58004	39580	15792	12740	3948
16,5	-3948	15792	5572	82318	80943	63168	43538	23698	14766	5922
26,5	-3948	15792	69090	100674	92778	71064	51428	29610	15792	7896

На основе результатов экспериментов, приведенных в табл. 1, определено увеличение теплового потока между двумя термопарами в корпусе при литье методом газового прессования в сравнении с литьем при атмосферном давлении (табл. 2). Различие в интенсивности тепловых потоков появляется после 40-ой секунды. После 120-ой секунды тепловой поток для отливок, полученных при атмосферном давлении, меняет свое направление. Его значения в таблице 1 даны с отрицательным знаком. Причина в том, что зазор между отливкой и стенками прессформы возрастает настолько, что дальнейший теплоотвод от отливки и ее охлаждение происходят только через стержень.

Таблица 2. Возрастание интенсивности теплового потока через корпус при литье методом газового прессования (в разы)

Р [МРа]	Время от начала литья, s.
Р [МРа]	40	60	80	100	120
0,1	1	1	1	1	1
7,0	1,23	1,06	1,35	1,34	3,34
16,5	1,27	1,10	1,26	2,00	3,67
26,5	1,59	1,33	1,68	2,55	4,31

Данные таблицы 2, однако, не дают нам информации об общем увеличении отводимого через корпус тепла от начала литья до извлечения отливки. Новая конструкция прессформы должна обеспечить возможность исследования температурных изменений в термическом узле отливки и объективного определения момента кристаллизации. Необходимо также иметь возможность проследить процессы, протекающие на границе металл-форма, а точнее, отделение отливки от стенок прессформы при затвердевании в зависимости от давления газа.

Во-вторых, на основе предыдущих исследований разработана математическая модель, с помощью которой, используя информацию о температуре, можно определить момент полной кристаллизации отливки. Посредством новой прессформы можно будет проверить достоверность результатов моделирования, и, если необходимо, скорректировать модель.

Прессформа состоит из корпуса 3, пуансона 10, двух боковых стержней 4, 8 и центрального стержня 9. При проведении исследований используются два варианта центральных и два варианта боковых стержней. В пуансоне оформлена полость 11 для прибыли, в верхней точке которой имеется отверстие 12, через которое подается газ высокого давления. Пуансон, посредством присоединительной плиты 1, прикрепляется к рабочему штоку специализированной машины ПХЩ 1600 для литья методом “ГП”. В корпусе имеются два боковых отверстия, в которые входят боковые стержни. По высоте прессформы расположены три отверстия 2 для термопар. Отверстия не доходят до внутренней поверхности корпуса, соответственно, на пять, десять и пятнадцать миллиметров. С внешней стороны корпуса предусмотрен канал, в котором находится охлаждающий змеевик (на схеме не показан).

В боковом стержне 8 (1-ый вариант) предусмотрено продольное сквозное отверстие для термопары 6. В торце стержня имеется дополнительное отверстие, в которое входит центрирующая керамическая втулка 7, обеспечивающая попадание термопары в центр расплава, т.е. в термический узел отливки.

Рис.1. Экспериментальная прессформа для исследования теплообмена

В боковом стержне 4 (2-ой вариант) также предусмотрено продольное сквозное отверстие для термопары. В отличие от бокового стержня 8 (1-ый вариант) в нем отсутствует центрирующая керамическая втулка, т.к. термопара доходит только до внутренней поверхности корпуса. Концы обоих боковых стержней оформлены в виде ласточкиного хвоста для удобства работы. В верхней части центрального стержня 9 (1-ый вариант) оформлен выступ (на схеме показан пунктирной линией) с целью имитации фасонной отливки типа поршня. В стержне имеются отверстия для выталкивателей. В центральном стержне (2-ой вариант) также имеются отверстия для выталкивателей, но отсутствует выступ. Таким образом, имитируется затвердевание отливки в виде слитка.

Последовательность подготовки экспериментальной прессформы заключается в следующем. Пуансон 10 прикрепляется к штоку литейной машины ПХЩ1600. Корпус 3 прессформы устанавливается на специальном столе. Предварительно в стенки корпуса вставлены три термопары. В корпусе устанавливается центральный стержень 1-го или 2-го варианта в зависимости от получаемой отливки – фасонной или слитка. В трех боковых стержнях (два стержня 1-го и один стержень 2-го варианта) устанавливаются термопары, а сами стержни подвешиваются на специальных подвесках. Подвески посредством скоб связываются с боковыми гидроцилиндрами литейной машины. Все пять термопар (три в стенке прессформы и по одной в боковых стержня 1-го и 2-го вариантов) подсоединяются к пяти каналам шестиканального прибора “Servogor” 5, записывающего зависимость «время-температура». К шестому каналу прибора подсоединяется термопара второго бокового стержня 1-го варианта.

Таким образом, установка подготовлена для проведения экспериментов. Однако предварительно ее следует довести до нормального температурного режима. Поэтому эксперимент проводится следующим образом.

1. В подвесках для боковых стержней устанавливаются стержни без отверстий и, соответственно, без термопар. Прибор “Servogor” выключен.

2. Через систему управления машины подается команда для установки стержней в прессформу. В прессформу заливается жидкий металл. Пуансон закрывает прессформу, подается газ под давлением.

3. После кристаллизации отливки прессформа открывается, отливка выталкивается. Этот процесс повторяется несколько раз, до достижения нормального температурного режима прессформы.

4. Стержни меняются на рабочие, т.е. с отверстиями и термопарами, включается прибор “Servogor”. Выполняется технологический цикл, описанный в пп.2 и 3. При этом термопары в стенках корпуса дают информацию об изменении температуры по толщине стенки корпуса. Термопара в боковом стержне 1-го варианта дает информацию о времени кристаллизации отливки в термическом узле, а термопара в боковом стержне 2-го варианта – информацию об изменении температуры на границе металл-форма в зависимости от времени.

5. После кристаллизации отливки прессформа открывается и отливка выталкивается. Отработавший боковой стержень 1-го варианта снимается с подвески, так как термопара осталась в застывшем метале. Термопара отсоединяется от прибора “Servogor”. На его место устанавливается предварительно подготовленный такой же стержень с термопарой, уже подсоединенной к прибору. Весь цикл повторяется.

6. Одновременно с этим на место снятого с подвески при первом эксперименте бокового стержня 1-го варианта устанавливается новый стержень с новой термопарой. Термопара подсоединяется к прибору “Servogor” и т.д.

Предварительные эксперименты подтвердили заложенные при проектировании прессформы возможности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сконструирована и изготовлена новая экспериментальная прессформа, с которой можно провести множество экспериментов при различных значениях давления газа.

При помощи новой прессформы можно исследовать процесс формирования отливок из различных сплавов, кристаллизующихся при одном и том же или при различных давлениях. Таким образом, можно определить воздействие величины давления газа на теплообмен между отливкой и прессформой и скорость кристаллизации отливок из различных сплавов при литье методом „ГП”.

ЛИТЕРАТУРА

1.Славов Р., С. Вутов. ”Приложение на метода за течно щамповане с газово налягане (ГП-процес) при производството на бутала за дизелови двигатели”. „Материалознание и технология”, 1986, №14, с.13-17.

2. Славов Р., А. Великов, В.Гурбелов. “ Влияние на налягането и термичната обработка върху нискотемпературната якост на бутала, получени по метода “Газово пресоване”. Сб.доклади от IV-та нац. млад. школа с международно участие “Материалознание и материали получени в условия на газово противоналягане”. Варна, изд. БАН, 1990, том.I, с.37-40.

3. Салтыков С.А. “Стереометрическая металлография” М. „Металургия”, 1976.