Технічні науки / 3. Галузеве  машинобудування

К.т.н. Савицький Ю.В., Безбородова О. І.

Хмельницький національний  університет

АНАЛІТИЧНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСУ ЗАПОВНЕННЯ ГАЗИФІКОВАНОЇ ЛИВАРНОЇ ФОРМИ МЕТАЛОМ

 

Сучасні підходи до заготівельного виробництва полягають в максимальному наближенні форми і розмірів заготовок до готової деталі, що суттево здешевлює кінцеву деталь. Одним з методів точного литва є литво в газифіковані моделі, або піномоделі.

Технологічний процес виготовлення відливок по газифікованих моделях полягає в наступному. У спеціальних металевих прес-формах механічною обробкою виготовляють моделі деталей і системи літників, використовуючи суспензійний полістирол у вигляді передспінених гранул або нормалізованих пінополистиролових блоків і плит. Моделі сполучають склеюванням або зваркою з елементами системи літника, після чого їх один раз забарвлюють фарбою або суспензією з пов'язуючого розчину і пилоподібного вогнетривкого матеріалу, які наносять зануренням, кистю або розпилюванням з фарборозпилювача в спеціальних камерах. Освічений шар сушать на повітрі і отримують таким чином тонкостінну, вогнетривку, газопроникну оболонку завтовшки до 2 мм, яка міцно пов'язана з пінополистироловою моделлю. Після цього її встановлюють в спеціальну опоку-контейнер і рівномірно, обережно, щоб не деформувалася модель, засипають зернистим вогнетривким наповнювачем. Як наповнювачі використовують кварцеві, оливинові, цирконові піски, шамот, магнезит, електрокорунд. В деяких випадках при виготовленні масивних відливок використовують звичайні формувальні суміші,такі як піщано-глинисті, піщано-цементні і ін. Після виготовлення форм їх заливають рідким металом, пінополистиролова модель при цьому газифікується під дією теплоти, звільняючи порожнину форми. Після формування відливки спока-контейнер перевертається. Формувальний матеріал висипається, відливка витягується і поступає на фінішні операції — обрубування, обробку, очищення і контроль. Аналізуючи етапи розвитку процесу литва по газифікованих моделях, можна відзначити, що цей процес розвивається в двох самостійних напрямах.

Перший напрям пов'язаний з виготовленням крупних, масивних відливок в умовах дослідного і дрібносерійного виробництва по моделях, що отримуються механічною обробкою пінополистиролових плит і блоків і при необхідності склеюванням.

Другий напрям пов'язаний з виготовленням складних відливок масою до 15 кг. з підвищеною точністю розмірів в умовах великосерійного і масового виробництва по моделях, що отримуються з суспензійного полістиролу, що пройшов спеціальну термічну обробку (передспінювання) і остаточно вспіненного в прес-формах до повного оформлення конфігурації моделей відливок.

В даний час успішно розвиваються обидва напрями литва по газифікованих моделях, що багато в чому сприяє технічному прогресу різних галузей машинобудування [2].

Відома  робота, у якій пропонується поліпшувати якість і довговічність виливків, вико­наних з чавуну із застосуванням спеціальних фарб [3,c 293-298].

Недоліком даного способу є те, що застосу­вання телурових фарб без запобіжних заходів мо­же супроводжуватися значним механічним прига­ром формувальних сумішей до виливки в місцях фарбування форм і стрижнів. Для усунення прига­ру потрібно застосовувати протипригарну фарбу, що попередньо наноситься на місця форми, які підлягають покриттю телуровою фарбою. Має місце складність регулювання концентрації телуру в залежності від конкретних технологічних особли­востей, оскільки при високій температурі заливан­ня і великій кількості карбідоутворюючих еле­ментів у хімічному складі чавуну вміст телуру у фарбі потрібно зменшувати і навпаки, при низькій температурі заливання металу у форму і малій кількості карбідоутворюючих кількість телуру у фарбі повинна збільшуватись.

Відомий також спосіб покращення  газопроникності вибивальності, піддатливості форм, згідно якого в форму вводять подрібнені відходи пінополістеролу [1].

Недоліком данного способу є те, що при сушінні форм або при заливці сирих форм пінополістерол дестригує з утворенням значної кількості газів, які виділяються в атмосферу ливарного цеху. При введенні пінополістеролу в суміш більше 25% знижується ущільнюваність суміші, погіршується чистота  поверхні форм і стрижнів.

Відомо також виготовлення га­зифікованих моделей для литих заготовок ріжучого інструменту . При цьому з легованого пінополістиролу виконаний лише елемент моделі, що формує ріжучу частину литої заготівки [1].

Недоліком даного способу є технологічна складність виготовлення моделі з відмінними за складом частинами, внаслідок необхідності наяв­ності в прес-формі контейнера, що не витягається і відокремлює обсяг робочої порожнини, що фор­мує легований елемент моделі, від іншої частини моделі з нелегованого спіненого полістиролу.

Відомий спосіб виготовлення моделей з полі­стиролу, що включає подачу в порожнину прес-форми спінених гранул полістиролу одночасно з легуючими або модифікуючими домішками і оста­точне спікання гранул полістиролу разом з доміш­ками [4].

Однак, в процесі задування гранул і домішок змінюється величина розрідження, яка діє на до­мішки з боку потоку полістиролу. На початку операції задуву величина розрідження максимальна внаслідок найменшого опору створюваного стін­ками прес-форми потоку повітря з гранулами і домішками. Поступово об'єм прес-форми заповню­ється, зростає опір і розрідження поступово падає. Внаслідок цього домішки в об'ємі прес-форми розміщуються нерівномірно.

Одним з найкращих спосіб виготовлення моделей з полісти­ролу є спосіб, в якому легуючі або модифікуючі домішки нано­сять на гранули спіненого полістиролу перед спі­канням їх в прес-формі [5]. Недоліком цього способу є використання до­сить дорогого зв'язуючого матерніалу.

В основу поставлено задачу створити спосіб виготовлення моделей, що гази­фікуються, в яких модифікуючі або легуючі доміш­ки наносяться на підспінені гранули за допомогою зв'язуючого, отриманого з розчинених відходів пінополістиролу.

Теоретичний аналіз процесу заповнення форми з газифікованою моделлю. Розглянемо процес заповнення форми (рис. 1) при замкнутій системі  литника  [5].

 

Рис.1.  Процес заповнення форми

 

I. Для аналізу поставленого завдання приймемо наступні позначення:

    — час, с;

    Ро — початковий натиск металу в стояку, кг/м2;

    Рг — тиск парогазовой суміші продуктів розкладання моделі в порожнині форми,    кг/м2;

    Ртр — втрати натиску на тертя металу в  каналах системи литника,  кг/м2;

    Ратм — атмосферний тиск,  кг/м2;  Ратм = 1000 кг/м2;

     уо — зазор між фронтом плавлення моделі і дзеркалом металу, м;

     у1 — координата положення рівня металу у формі, м;

     упл — координата  фронту   плавлення   моделі,   м;

      l — товщина   стінки   форми,   м;

      L — длина живильника, м;

     dF1   — гідравлічний  радіус  живильника,  м;

     П — периметр   перетину  відливки   в  напрямку, перпендикулярному  руху металу,   м;

     dF — гідравлічний радіус порожнини форми, м;

     F1 — площа   перетину   живильника,  м2;

     F2 — площа   перетину   відливка в напрямі,  перпендикулярному  руху

металу,   м2;

        Fст — площа   перетину   стояка,  м2;

        мет — питома вага рідкого металу,  Н/м3;

        мет — масова  щільність  рідкого  металу,   Н2/м4;

        мод — питома  вага  матеріалу  моделі,   Н/м3;

        " — питома  вага  парогазовой  суміші,   Н/м3;

         т1 — маса металу в системі літника, Н2/м;

         m2 — маса  металу  у формі,   Н2/м;

        mпр — приведена   маса  рухомого   металу,   Н2/м;

        mпит — маса металу в  живильнику,  Н2/м;

         Gпг — маса парогазовой суміші в об'ємі порожнини форми, кг;

         Т — температура парогазовой суміші в порожнині форми,  К;

R — газова  постійна парогазовой суміші;

          vмет — швидкість металу в порожнині форми, м/с;

       v1 — швидкість металу в живильнику,  м/с;

      vмод— швидкість   плавлення   моделі, м/с;

        mг — питома швидкість випаровування і газифікації рідкої фази продуктів розкладания моделі, 1/с;

Кг — газопроникність  формувальної   суміші,   м4/Н;

q0— витрата металу через отвір в чаші літника, кг/с;

           qг — швидкість утворення парогазовой суміші в порожнині форми, кг/с;

           qф — швидкість видалення парогазовой суміші з порожнини форми, кг/с;

 — коефіцієнт опору тертя металу об стінки каналів літника системи;

   g — прискорення сили тяжіння, м/с2.

      II. Основні умови і допущення.

1.Ро — const; при t = 0; Pн = Ро .

2.Потік парогазової суміші з порожнини форми приймається однонаправленим (по координаті X), таким, що підкоряється закону сталої фільтрації. Тоді  витрата парогазової суміші з порожнини форми через зазор складе:

                                                                                         (1)

3. Процес розширення парогазовой суміші в порожнині форми  діабатичний.

III.  Отримуємо слідуючі співвідношення:

                                                          (2)             

 

 

 

 

 

 

 

Швидкість утворення парогазовой суміші в порожнині форми, кг/с:

                                                                      (3)

     Втрати натиску на тертя металу в  каналах системи літника,  кг/м2:

                                                                      (4)

                                                                                     (5)

       Маса металу в системі літника, Н2/м:

  ;                                                                           (6)

Приведена   маса  рухомого   металу,   Н2/м:        

                                                                                      (7)

Координата  фронту   плавлення   моделі,   м;

                                                                                   (8)          

IV. Основні рівняння для випадку замкнутої системи літника: рівняння руху  металу:

                                             (9)

             - рівняння балансу газу:

                ;                                    ;                                                             (10)

- рівняння адіабати:    ;                                       (11)

Показник  ступеня  адіабати:

                                                                                    (12)           

Рівняння плавлення моделі:

.                                                                                                                          (13)

V. Перетворення   основних   рівнянь.

Введемо додаткові позначення:

                                                                        (14)

              де   1000 — атмосферний  тиск,   кг/м2.

Система рівнянь, які описують рух металу в формі:

                              

  (15)

     


   Вирішення виведених систем рівнянь процесу заповнення форми представлені на рис.2.

 


Рис.2.  а)в залежності від газопроникності форми (1-120; 2-240; 3-460 од.);

            б)в залежності від масової швидкості заливки (1-740; 2-560; 3-375 г/с)

 

Аналіз отриманих рішень (рис.2, а,б) показує , що рух металу має характер аперіодичних коливань. Швидкість металу в формі максимальна в початковий момент поступання металу в форму і убуває по мірі її заповнення. Тиск парогазової суміші в початковий момент часу перевершує напір рідкого металу в стояку , що свідчить про можливість викиду металу з чаші.  При цьому тиск в порожнині форми мало змінюється зі збільшенням газопроникності форми, що пояснюється порівняно невеликим зазором між фронтом плавлення моделі і зеркалом металу. Однак зі збільшенням газопроникності внаслідок зменшення протитиску, збільшується швидкість металу  в порожнині форми і пройдений ним шлях.

Висновок:

Головна особливість процесу литва по газифікованих моделях — застосування невитягуваної перед заливкою металу моделі — визначає основні його переваги:

-підвищується точність відливок завдяки нероз'ємній формі, відсутності операції витягання  моделі, зсуву  півформ і стрижнів при збиранні, що дозволяє зменшити припуски  на механічну обробку;

-можна виготовляти відливки  складної конфігурації без застосування стрижнів , оскільки формування здійснюється по «чистій» моделі;

-спрощується процес виготовлення ливарної форми, відпадає необхідність застосування  відокремлених частин , стрижнів, а при використанні сухих наповнювачів і феромагнітних матеріалів формування і вибивка  форм після  заливки суттєво спрощуються;

-знижується трудомісткість обрубування і очищення відливок і як наслідок  відсутність заток і задирок, що з'являються  на відливках після роз'єму форми ;

-розширюються можливості автоматизації і механізації процесів виготовлення відливок.

У поєднанні з хорошою оброблюваністю вживаного для виготовлення моделей пінополістиролу ці переваги способу дозволяють різко скоротити цикл підготовки виробництва, знизити трудомісткість виготовлення відливок . Тому спосіб литва по газифікованих моделях почав швидко впроваджуватися  у виробництво відливок  для машинобудування.

У статті описана математична модель процесу заповнення форми з газифікованою моделлю металом. Зроблений такий висновок: при заповненні форми з газифікованою моделлю через закриті літникові системи, створюються умови для виникнення коливальнлго руху металу і пульсації тиску в порожнині форми. Все це може призвести до викиду металу з чаші в початкові моменти заповнення та дефекту відливок. Виникнення коливань металу в формі пов’язано з перехідними процесами заповнення форми та літникової системи.

 

 

 

Література:

                   1.   Кирпиченков В.П. Технологический процесс литья по газифицируемым моделям. - М.: НИИМаш, 1971. – 356с.

                   2. Озеров В.А, Гаранин В.Ф. Литье повышенной точности по разовым моделям:     Учеб. Пособие для СПТУ. – М.: Высш.шк., 1988. – 87с.

                   3.   С.Е. Уткин Взаимодействие литейной формы и отливки. М., Издательство АН       СССР, 1962г., 320с.

                   4. Шинський О. Й., Вишнякова Л.П., Плотнікова В.Н. Спосіб виготовлення моделей з пінополістеролу . Патент  України №244.

                   5. Ю.А. Степанов , Д.С. Гришин, В.П. Кирпиченков, В.А Павлов, В.С Шуляк; Литье по газифицируемым моделям. М., «Машиностроение», 1976г.,224 с.

 

 

 

 

 

 

Авторська картка

1.     П.І.Б.: Савицький Юрій Віталійович

2.     Рік народження: 08.03.1973

3.     Місце роботи: Хмельницький національний університет, 29016

м. Хмельницький; Інститутська 11, р. т. 72-89-44

4.     Посада: доцент кафедри технології машинобудування.

5.     Вчене звання:  доцент.

6.     Науковий ступінь: к.т.н.

7.     Адреса: 29027, м. Хмельницький, вул. Панаса Мирного 32, кв. 56,

т.77-26-90

8. Поштова скринька : yra.savisky@gmail.com

 

Авторська картка

1. П.І.Б.: Безбородова Оксана Ігорівна

2.Рік народження: 17.07.1987

3. Місце роботи: Хмельницький національний університет, 29016

м. Хмельницький; Інститутська 11, р. т. 72-89-44

4.Посада: студент.

5.Вчене звання:  -

6.Науковий ступінь:  -

7.Адреса: 29000, м. Волочиськ, вул. Слави 5, кв.6