Бураков (Бураков С.Л. Литье в кокиль), страница 3

Трудно найти такую отрасль машиностроения, где бы не занимались литьем в кокиль либо не использовали отливки, полученные таким способом. В кокилях получают детали различных габаритных размеров, массы. Весьма разнообразны конструктивные особенности отливок, получаемых в кокилях: от простых типа опорных плит, колосников, болванок и втулок до сложных типа картеров двигателей, головок блоков цилиндров, ребристых корпусов электродвигателей и стоек плугов. Литьем в кокиль получают детали с особыми свойствами: повышенной герметичности, износостойкости (например, чугунные с поверхностным и местным отбелом), окалиностойкости и др.

Важно подчеркнуть, что в кокилях производят детали различного, в том числе весьма ответственного назначения. Глава П ТЕПЛОВЫЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ Ь РОЛЬ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ Главным вопросом теории литья является формирование отливки, которое обусловлено комплексом явлений различной физической природы. В этом комплексе ведущая роль принадлежит тепловым явлениям: изменение температуры отливки — первопричина происходящих в ней процессов. Поэтому тепловые основы являются центральным звеном теории каждого способа литья. Однако для литья в кокиль тепловые основы играют исключительную роль.

Во-первых, в кокилях, как ни в какой другой литейной форме, имеются широкие возможности изменения термических условий формирования отливки: выбором, например, состава и толщины покрытия, способа и режима внешнего охлаждения формы. Во-вторых, тепловое состояние кокиля — решающий фактор его долговечности. Следовательно, изучение теплообмена между отливкой и кокилем является не только теоретической, но и важной практической задачей. Практические задачи производства отливок в кокилях, которые решаются методами тепловой теории литья, можно разделить на три группы. К первой относятся определение закона изменения температуры и затвердевания отливки в зависимости от толщин покрытия и стенки кокиля, термофизических свойств их материалов, режима охлаждения формы и других факторов.

В результате решения задач этой группы устанавливаются закономерности формирования микро- и макроструктуры (условий питания) отливки, характер возникающих в ней термических напряжений и длительность технологического цикла. Ко второй группе относятся задачи, которые можно рассматривать как обратные по отношению к первой. В круг этих задач входят выГюр геометрических и термофизических свойств покрытия и кокиля, а также режима охлаждения последнего с целью обеспечения заданных условий формирования отливки. К таким условиям относятся, например, линейная скорость затвердевания и перепады температур между элементами отливки.

При соблюдении заданных условий достигаются необходимые параметры качества отливки: прочность, твердость, точность и т. д. Третья группа задач охватывает условия эксплуатации кокилей. Вследствие решения задач этой группы определяются: продолжительность термического цикла, которая обеспечивает заданную начальную температуру формы; период, в течение которого температура кокнля соответствует параметрам нанесения покрытия; величина термических напряжений и деформаций кокиля; Термические исвовим формировииил отливки разогрев формы потоком расплава как один из факторов ее эрозии и др. Решение (с разной степенью точности) перечисленных задач оказывается возможным с помощью расчетных формул, приведенных в настоящей главе.

Охватывают оии наиболее распространенные и типичные случаи литья. Для специальных случаев указывается соответствующая литература. Следует подчеркнуть, что приведенные формулы относятся к определенным условиям литья. Условия эти оговариваются подробно и поясняются схемой (рис. 4). Получение'аналитических решений, пригодных для всех разновидностей отливок и кокилей, либо вообще невозможно, либо сопряжено с громоздкостью конеч. ных результатов. Необходимые упрощения достигаются с помощью специальных методов теории литья !201. 2.

ТЕРМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОТЛИВКИ В КОКИЛЕ С ТОНКОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ Особенности процесса. Основной принцип исследования термических явлений в системе отливка — кокиль заключается в установлении их главных особенностей и реализуется с помощью параметрического критерия Хв/Х, (см. рис.

4). Для термических условий литья в кокиль с тонкослойным покрытием Хв(Х, 44' ,1. Из этого неравенства вытекают два важных следствия. Первое заключается в том, что теплоаккумулирующая способность покрытия пренебрежимо мала по сравнению с теплоаккумулирующей способностью отливки. Второе сводится к тому, что покрытие х, а) Рис. 4. Схемы темперетуриых полей в отливке н кокиле: а — тонкостенный какнль с тонкослойным покрытием; б — массивный кокнль с танко.

'словным покрытием; е — облниовенный кокнль !ьеиловые основы теории литья в кокиль !4 е т — т ехр ~ — А (с — — ")), где А=,, Р,= —. ылэ йс'1 Р,р1с ~ с Лр,' Здесь )с, — приведенный размер струи; р(, с| — плотность и удельная теплоемкость жидкого металла; и — скорость движения металла, у — координата, отсчитываемая от фронта потока (на носике у = — О).

Из формулы (1) следует, что температура любого сечения струи уменьшается во времени по экспоненциальному закону. Отвод теплоты перегрева. Закон изменения температуры металла на стадии отвода теплоты перегрева имеет вид (2) где 9,„— начальная температура расплава; Р, — поверхность отливки; М, — масса отливки. Температура О„определяется по формуле (!), если положить в ней ! = 1, (1, — продолжительность стадии заливки).

Из выражения (2) следует, что продолжительность стадии отвода теплоты перегрева !я = — 1ц —. М,с,' вм р, ,ф в„„ ' (2') В формуле (2') О,р — температура кристаллизации, отсчитанная от Тыи. Затвердеваине. Выражения для расчетов стадии затвердевания намного сложнее, чем в предыдущих случаях. Вид этих выраже- можно рассматривать как плоскую (в термическом смысле) однослойную или многослойную стенку. Оба следствия позволяют учесть термическое сопротивление кокильного покрытия как термическое сопротивление плоской (одно- или многослойной) стенки в стационарном случае.

С учетом рассмотренных следствий в монографии (20! детально исследованы условия формирования отливки в гипотетической (фиктивной) среде, температура которой Т,,ь — величина постоянная. Теплообмен между отливкой и такой средой осуществляется с коэффициентом теплопередачи а,ь. Способы выбора Т, ф и а,ф как расчетных параметров рассмотрены ниже.

Идеи и выво работы (201 позволяют рассчитать термические условия форми вания отливок во многих разновидностях кокилей. Охлаждение потока металла. Изменение температуры пото металла в кокиле Термияеские условия 4ормировакия осяливки 1о ний зависит от геометрической формы и интенсивности охлаждения отливки, определяемой величиной критерия Био В1, = — "Х„ агф л где Х, — теплопроводность материала отливки. В частности, при В1, )) 1 нарастание твердой корочки плоской отливки описывается зависимостью 1/ 2а (а+ 1) ае Г (.(я+11+1 ' При этом линейная скорость затвердевания а$ а,а (+.' ): (3) (4) Если В1я сс, 1 =Х, Г сер Ля ая В1Г аФив с(1 Хя й В формулах (3) и (4) (3') (4') 8., = [~, (л ) ~ "е 1 ( + о- -~ в -, ) ' В(л А= — ' север (г, — удельная теплота кристаллизации материала отливки, с,— удельная теплоемкость); а, = Х,(с,р, — коэффипиент температуропроводности затвердевшей корки, п — показатель параболы, описывающей температурное поле затвердевшей корочки.

Формулы для расчетов стадии затвердевания цилиндрических, сферических, а также плоских отливок при любом значении В1, имеют относительно сложный вид и поэтому здесь не приводятся. Интересующиеся могут найти их в монографии 1201. Там же рассмотрен вопрос о выборе численного значения и. Для практических расчетов можно принять п = 1. Продолжительность стадии затвердевания гв можно определить по формуле типа (3), если положить в ней $ = Х,, Охлаждение затвердевшей отливки.

На четвертой стадии— стадии охлаждения затвердевшей отливки — температура металла уменьшается по всему объему одновременно. На этой стадии при произвольном В1, температурное поле плоской отливки описывается выражением 16 Твллоамв основы теории литья в кокиль ат1 где Ро =- —.

Для центра отливки г = — О, на ее поверхности Х1 ' г = Х, (см. рис. 4, а, б). Если интенсивность охлаждения отливки мала (В1х (( 1), то расчетная формула принимает более простой вид: — ' = ехр ( — В1,Ро). (6) Формула эта применима для отливок произвольной конфигурации. Задача об охлаждении отливки вне формы относится к числу стандартных задач теории теплообмена и поэтому здесь не рассматр ивается.

Выбор расчетных параметров. Как указывалось, расчетные формулы (1) — (6) справедливы, если Т, ф — величина постоянная. К такой расчетной схеме сводится процесс тсплообмсна в тонкостенном кокиле при любом режиме его охлаждения (воздухом, водой, водо-воздушной смесью, маслом и др.) и в массивном кокиле, охлаждаемом с малой интенсивностью (например, естественно на воздухе). Для тонкостенного кокиля (см. рис. 4, а) соблюдается условие — а«1 Хх Согласно этому условию количество теплоты, аккумулированное кокилем, пренебрежимо мало в сравнении с количеством теплоты, отдаваемой отливкой в окружающую среду.

Поэтому роль кокиля в процессе теплообмена сводится к дополнительному термическому сопротивлению между двумя телами — отливкой и средой, охлаждающей кокиль. Таким образом, величина Т, ф в рассматриваемом случае равна Т„а коэффициент теплопередачи сх,э к среде с температурой Т, равен осы причем 1 Ха Хк Хг — '+ — '" + — "+— йе Лкв ьг аз В этой формуле Х„и Х, — толщины газового зазора между отливкой и кокилем и слоя краски; Х„ и а,р — коэффициент теплопроводности,соответственно смеси газов, находящихся в зазоре, н краски и 'аа — коэффициент теплоотдачи от кокиля к охлаждающей его среде.

Здесь уместно отметить, что тонкослойное покрытие кокиля, толщина которого обозначена Х„включает в общем случае слой или слои краски и газовый зазор. Закономерности образования газового зазора и методы расчета Хг рассмотрены в следующей главе. Значение лг зависит от состава газов н рассчитыдается по правилу аддитивности, Данные о величинах к в, найденных экспериментальным путем для ирисом различных составов, указаны в главе о покрытиях.

Там же приведены формулы для определения Акр. Дополнительные свезщния терли«вские условия фора«провалив очливки !7 по этому вопросу можно найти в работах(!7 — !9, 541. Величина ае находится по формулам общей теории теплообмена. Рекомендации для практических расчетов ае имеются в работах по литейной теплофизике 12! — 241. Для массивного кокиля (см. рис.