Разработка технологии подогрева разнотолщинной металлической формы для отливки втулок гильз цилиндров

Введение. Для ^егули^ования условий к^исталлизации изделий, как п^авило, пе^ед заливкой подог^евают фо^му, в кото^ую их отливают. Этот метод используют как п^и п^оизводстве массивных отливок, например, прокатных валков так и тонкостенных - втулок цилиндров, корпусных деталей, тормозных дисков и др. [1-3].

П^и изготовлении деталей из чугуна степень подог^ева металлической фо^мы позволяет изменять соотношение ст^укту^ных составляющих в ^абочем слое массивных отливок из половинчатых чугунов или ^егули^овать п^оцесс г^афитизации в тонкостенных отливках из се^ого чугуна, обеспечивая т^ебования эксплуатации. П^и отливке гильз цилинд^ов используют ^азнотолщинные металлические фо^мы, что облегчает их последующее извлечение из го^изонтальной центробежной машины. Вместе с тем, из-за различной их толщины ско^ость к^исталлизации отдельных зон отливки существенно отличается, что увеличивает склонность к трещинообразованию.

Как п^авило, металлическую фо^му пе^ед заливкой чугуна, независимо от способа п^оизводства изделия (стациона^ное и цент^обежные литье), ее п^едва^ительно подог^евают в газовой печи [1] до необходимых темпе^ату^ (оп^еделяется массой отливки и т^ебованиями по у^овню свойств и ст^укту^ы). П^и поточном п^оизводстве п^одукции, используемые металлические фо^мы однов^еменно заг^ужают в печь для их подог^ева, а затем постепенно используют каждую при установке в центробежную машину и заливают жидкий металл. Такая технология использования подог^ева металлических фо^м т^ебует больших зат^ат эне^гоносителей, которые используются не рационально из-за длительного нахождения садки в печи. Кроме того, это ухудшает экологию цеха из-за длительного подде^жания в печи темпе^ату^ы подог^етых металлических фо^м. Рассмат^ивая технологический аспект, необходимо отметить, что с одной стороны, из-за неравномерного нагрева всей садки, а с другой - при одинаковой температуре нагрева ^азнотолщинной по высоте фо^мы не позволяет ст^ого ^егули^овать па^амет^ы охлаждения для обеспечения стабильных условий кристаллизации.

Поэтому ^ешение таких п^облем п^оизводства может быть достигнуто только п^и учёте всех от^ицательных факто^ов п^оизводства. Наиболее экономичным и стабильным, с позиций достижения необходимой темпе^ату^ы подог^ева фо^мы, следует п^изнать использование метода индивидуального её подог^ева токами п^омышленной частоты. Такая технология соответствует экологическим т^ебованиям и эне^госбе^ежению. К^оме того, ^егули^уя п^оцессом ^авноме^ного наг^ева фо^мы, можно существенно снизить у^овень в ней нап^яжений и тем самым увеличить с^ок службы. П^и стабильно достигаемой темпе^ату^е металлической фо^мы будет возможным оп^еделить наиболее эффективную темпе^ату^у извлечение втулки из нее после отливки. Это позволит минимизировать уровень напряжений и в отливке.

Целью исследований явилось ^аз^аботка технологии на основе тео^етического обоснования эффективности п^оцесса подог^ева металлической фо^мы для отливки втулок цилинд^ов из се^ого чугуна центробежным методом на горизонтальной машине.

Результаты исследований. На пе^вом этапе исследования п^овели г^убую оценку показателей, кото^ые послужили базой для дальнейших расчетов и оценок.

Расчет наг^ева ТП^ металлической фо^мы (^ис. 1) выполнен для отливки втулки гильзы цилинд^а судового двигателя. В этом случае используется ^азнотолщинная по длине металлическая фо^ма. Разнотолщинность характерна для наружной части стенки.

Учитывая ^азнотолщинность по высоте металлической фо^мы, ^ассмот^ели идеализи^ованную модель. Она заключалась в том, что мощность индикато^а задавали от в^емени его ^аботы, а не от об^атной связи. П^и этом использовали степенной закон ^асп^еделения мощности по сложным зависимостям:

Q(t)=q× [sin(i)]2 – один ва^иант;                    (1)

Q(t)=q× [sin(2×i×dt)]2 – вто^ой ва^иант,           (2)

где q – мощность, ^авная половине минимальной мощности;

i – номе^ шага по в^емени;

dt – шаг по в^емени.

Рисунок 1 Сечение металлический фо^мы

Индукционный наг^еватель, обеспечивающийся индукционной катушкой и магнитоп^оводами, концент^и^уется и создаёт магнитный поток, что позволяет осуществлять локальный (местный) наг^ев отдельных зон фо^мы. Зоны детали, подлежащие об^аботке, выби^али в зависимости от цели наг^ева. Выби^ая фо^му и ^азме^ы катушки магнитоп^оводов, можно достичь в детали т^ебуемое темпе^ату^ное поле во всех нап^авлениях: ^адиальном (по толщине стенки), осевом (по длине детали).

Изложницы для цент^обежного литья втулок цилинд^ов являются ассимет^ичными изделиями, поэтому наг^ев их в ок^ужном нап^авлении должен быть одинаков. Это достигается катушкой к^углой фо^мы.

С д^угой сто^оны, в случае, когда изложницы имеют пе^еменную вдоль оси толщину стенки, интенсивность наг^ева отдельных зон должна быть ^азличной. Поэтому индукционную катушку выполняют с не^авноме^ным ^асположением витков по длине такой фо^мы. Участок катушки, ^асположенный вдоль стенок увеличенной толщины, должен иметь большее количество витков, чем тот, что находится в зоне и у г^аницы с тонкими стенками. Это т^ебует наг^евать металлическую фо^му с ^азличной интенсивностью вдоль оси, чтобы обеспечить одинаковую в ней темпе^ату^у. Равноме^ность наг^ева ^азнотолщинной металлической фо^мы в ^адиальном нап^авлении каждой из зон достигается оптимальным выбо^ом мощности индукционного наг^евателя и в^еменем его п^одолжительности.

Магнитоп^оводящая система охватывает катушку и изложницу, уско^яя наг^ев последний. Такая схема наг^ева дает возможность получить темпе^ату^ное поле изложницы п^актически ^авноме^ное во всех нап^авлениях.

Количество тепла Q, необходимое для наг^ева металлической фо^мы оценивали как:

Q=C×m× (t 2 -t 1 ),                             (3)

где С – удельная теплоемкость. Для стали 20 в инте^вале темпе^ату^ 0-300°С.

С=0,122;

m – масса изложницы, кг;

• t 2 – темпе^ату^а наг^ева металлической фо^мы, не менее t 2 =300°С п^и заливке чугуна;

• t₁ – темпе^ату^а ок^ужающей с^еды. П^инимали t₁=20°С.

Выбо^ темпе^ату^ы наг^ева не менее 300°С на пове^хности металлической фо^мы обеспечивает более длительное в^емя п^ебывания в ней отливки п^и инте^вале темпе^ату^ магнитного п^ев^ащения цементита (пе^лита), что уже п^и литье способствует снижению у^овня нап^яжений.

Q=0,122×940×(300-20)=32110,4 ккал.             (4)

Сумма^ное количество тепла Q сум с учетом поте^ь (≈15%) на ^ассеивание в ок^ужающую с^еду оценивали как:

Q сум = Q×1,15=32110,4×1,15=36926,96≈36927 ккал. (5)

Мощность P, необходимая для наг^ева металлической фо^мы, должна быть не менее:

P= Q сум /0,24 τ                              (6)

где 0,24 – пе^еводной коэффициент 1 кВт=0,24 ккал/с.

• τ – п^одолжительность наг^ева.

Поскольку ^авноме^ность наг^ева изложницы в ^адиальном нап^авлении (по толщине стенки) в значительной степени зависит от п^одолжительности наг^ева, то с учетом ско^ости п^оцесса и теплоп^оводности мате^иала п^инимали τ=20 мин=1200с.

P= 36927/(0,24×1200)=128,22≈129кВт.            (7)

Таким об^азом, изменяя в^емя наг^ева, можно уп^авлять мощностью или, наобо^от, меняя мощность, можно уп^авлять в^еменем наг^ева.

В этих двух ва^иантах максимальная мощность источника была п^инята ^авной 2000000. Анализи^овали целесооб^азность использования и т^етьего ва^ианта, кото^ый заключался в циклическом включении – отключении индикато^а.

П^и этом, максимальную мощность источника использовали ^авной 8000000.

К^оме этого, в ^асчетах использовали следующие па^амет^ы: шаг по в^емени – 0,4ч; шаг по высоте и толщине металлической фо^мы – 20 мм; плани^уемая темпе^ату^а наг^ева 400°С (с ^асчетом п^и заливке на внут^енней части достижения – 300°С); п^и циклической об^аботке шаг наг^ева и охлаждения каждого 1,2ч.

Получено т^и типа г^афиков, соответствующих пе^ечисленным выше зависимостям: темпе^ату^а, нап^яжения и в^емя воздействия источника (^ис. 2).

Темпе^ату^а п^едставлена двумя оттенками к^асного цвета: более темный соответствует внут^еннему слою (1); светлый – на^ужному (2).

Внут^еннему слою соответствуют нап^яжения, обозначенные тёмно-зелёным цветом (3), на^ужному – светло-зелёным (4), а желтым (5) – с^едней зоне сечения металлической фо^мы.

Синим цветом (6) п^иведено изменение относительной мощности источника во в^емени (отношение мощности в ^ассмат^иваемый момент в^емени к максимальным значениям).

К^оме того, выполнены сопоставительные исследования влияния толщины стенки металлической фо^мы на у^овень, возникающих нап^яжений.

Из п^иведенных зависимостей с учётом максимальной толщиной стенки фо^мы 365 мм (см. ^исунок 2 а-в) следует, что пе^вые два ва^ианта в течении часа наг^ева не обеспечивают темпе^ату^у даже 150°С. Однако, п^и этом, в пе^вом случае имеют место минимальные нап^яжения.

^то касается общих зат^ат эне^гии, то сопоставляемые ва^ианты являются идентичными. Хотя в т^етьем - используется большая мощность, но в этом случае она компенси^уется отключениями индикато^а. На т^етьем г^афике видно, что линия, соответствующая включению индикато^а, является п^е^ывистой, т.е. почти все в^емя (к^оме начала) индукто^ отключён.

П^и увеличении мощности источника для пе^вых двух ва^иан тов, п^име^но, уже на вто^ом часе темпе^ату^а существенно 54

повышается на на^ужной пове^хности и до 500°С на внут^енней.

Рисунок 2 Зависимости: темпе^ату^а – в^емя об^аботки ТП^ – нап^яжения: а – в – толстая часть фо^мы; г – тонкая

Все эти ^ассмот^енные ва^ианты для толщины стенки металлической фо^мы 365 мм являются не эффективными из-за большого у^овня нап^яжений. П^и этом, дефо^мации ^авны пластическим как во внут^енней, так и на^ужной зонах. Регули^овка мощности источника наг^ева для подде^жания стабильной темпе^ату^ы металлической фо^мы в^яд ли удастся осуществить. Как п^едусмот^ено ^асчетом, синусоидальная ^егули^овка с помощью включений и отключений индикато^а (ва^иант ^ис. 2, в) п^иводит к интенсивному ^осту нап^яжений с большим количеством пе^емен знака в одних и тех же точках металлической фо^мы. Целесооб^азным для такой большой толщины металлической фо^мы в этом случае может быть использование двухсто^оннего наг^ева.

С уменьшением толщины стенки металлической фо^мы до 200 мм (^исунок 2, г) циклический наг^ев является более стабильным, с точки з^ения колебаний достигаемых темпе^ату^ и у^овня нап^яжений.

Расчетами было показано, что для тонкой части металлической фо^мы т^ебуется большая мощность источника наг^ева. Анализом было установлено, что в этой зоне имеют место большие поте^и в ок^ужающее п^ост^анство, но есть и д^угая п^ичина, кото^ая не была учтена в п^едыдущем ^асчете. Следовало бы учитывать мощность источника не в одной точке, а ^асп^еделение её по - нескольким, согласно зависимости (четвё^тый ва^иант):

q = qmax x(1 - (8)

Это ха^акте^изует число точек по толщине фо^мы. Такой подход, учитывающий тепловой поток обеспечивает более устойчивое ^ешение.

На следующем этапе исследований в уточненном ва^ианте ^асчета наг^ева ^азнотолщинной металлической фо^мы использовали в качестве г^аничных условий тепловые потоки.

В п^ог^амме использовали 4 па^амет^а:

два по в^емени и два по толщине фо^мы (q o и qt e )

qo=20000: qte=15000 для толстой части металлической фо^мы qo=15000: qte=15000 для тонкой части металлической фо^мы

В этом случае тепловые потоки почти п^опо^циональны толщине металлической фо^мы. П^и ^асчетах использован взамен степенного ^асп^еделения мощности частный случай экспоненциального закона с вычислением па^амет^ов, п^и кото^ых сох^анялась бы заданная сумма^ная мощность. В пе^вичном обосновании выбо^а и оценки влияния мощности источника наг^ева не учитывалось ^асп^еделение токов Фуко по толщине металлической фо^мы, поэтому он является недостаточно надежным.

В новом ва^ианте ^асчета п^и наг^еве металлической фо^мы нап^яжения, в отличающихся по толщине зонах, оказались существенно более низкими и их вообще можно не учитывать (^исунок 3). Независимо от толщины стенки металлической фо^мы темпе^ату^а и ее ^асп^еделение стабильные.

Ва^иант 4                 (г)             Время, ч

П^одолжение ^исунка 2

Из г^афических зависимостей видно, что существуют площадки выде^жки темпе^ату^ы, и они близки к величине 0,4ч. Для на^ужного слоя более толстой части – это 500-520°С, а внут^еннего – 330-345°С. Для тонкой части на^ужного слоя – 480-490°С, а внут^еннего – 390-415°С.

Стабилизация темпе^ату^ в этом ва^ианте п^оисходит немного по д^угому закон:

Q(t)=qte×sin(4×i×dt) – для случая, если синус не от^ицательный (9)

и 0 – если от^ицательный (соответствует пе^иоду отключения).

Рисунок 3 Расп^еделение темпе^ату^ и нап^яжений в ^азличных зонах втулки: а - толстая часть фо^мы; б – тонкая

Ха^акте^ ^асп^еделения темпе^ату^ы, нап^яжений стабилизи^уется для тонкой части металлической фо^мы уже со вто^ого цикла, а утолщенной части – с т^етьего. Одно^одность фо^ми^уемой ст^укту^ы отливки можно оценивать не^аз^ушающим магнит ным методом по коэ^цитивной силе [4-5].

Таким об^азом, оптимальное в^емя подог^ева металлической фо^мы для обеспечения стабильной темпе^ату^ы не менее 300ºС на пове^хности контакта с жидким металлом получено математическим моделированием и составляет: 4,2ч в период нагрева и 1,2ч - в период пауз.

П^и наг^еве изделий, независимо от ха^акте^истики печного обо^удования, темпе^ату^у в области уп^угих дефо^маций повышают со ско^остью 25 мм/ч. Исходя из этого, наг^ев металлической фо^мы толщиной 365 мм (182,5 мм п^и подог^еве с двух сто^он) может быть реализовано в период 7,4ч.

П^и этом КПД газовой печи составляет до 60%. Однов^еменно, наг^ев металлической фо^мы ТП^ составляет 4,2ч. П^и этом КПД использования источника можно повысить, согласно п^едложенной технологии до 80%. Снижение эне^гозат^ат п^и сок^ащении в^емени наг^ева металлических фо^м использованием ТП^ увеличивает их стойкость в эксплуатации до 15% благода^я то^можению п^оцессов дег^адации ст^укту^ы металла, кото^ые соп^овождаются уменьшением у^овня возникающих нап^яжений. Это статистически подтве^ждено не^аз^ушающим конт^олем качества и оценено по снижению коэ^цитивной силы в зависимости от используемого материала (3,9-7,9 до 6,9-10,6 А/см [4-5]).

Новое технологическое ^ешение защищено патентом Ук^аины [6].

Выводы. На основе п^оведенного анализа ^азличных подходов математического описания влияния па^амет^ов подог^ева металлической фо^мы с отличающимся сечением её стенки по высоте для отливки втулок цилинд^ов с минимизацией у^овня нап^яжений предложен способ наиболее эффективного, с точки зрения обеспечения эне^госбе^ежения, экологии, экономии ^асхода фо^м и в техническом аспекте - программируемыми параметрами ТПЧ при циклической об^аботке с отключением индукто^ов. П^и этом, сумма^ное в^емя наг^ева составляет 4,2 ч, а отключения в пе^иод пауз 1,2 ч. Число циклов, обеспечивающих равномерный нагрев по высоте металлической фо^мы должен составлять не менее т^ех. П^едложенное и обоснованное техническое ^ешение по технологии подогрева формы по сравнению с - печным позволяет увеличить КПД п^оцесса с 60 до 80% и повышать их эксплуатационную стойкость на 15%.

Украина, Харьков, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко