CC BY
10
УДК 621.743/744:532.546.6/7
О. А. БОНДАРЕВ
Омский филиал Российского заочного института текстильной и легкой промышленности
ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАШИН ОТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ
На основании проведенных исследований установлены качественные зависимости влияния процессов фильтрации газа и газового давления на границе раздела металл-литейная форма на качество литой заготовки детали. Рассмотрены общие уравнения, позволяющие приближенно выполнить теоретические исследования по напряженности газового режима литейной формы и на их основе построить расчетные модели для практического применения при разработке конструкции литейной формы и технологического процесса получения качественной литой заготовки с применением САПР.
Современные машины текстильной и легкой промышленности от аналогичных машин недавнего прошлого отличает большая производительность, большие скорости исполнительных механизмов и точность движения рабочих звеньев, большая энерговооруженность при всем стремлении конструкторов к ее снижению. Монтаж механизмов этих машин выполняется в корпусе машины. Корпус — это часто довольно сложное конструкторское образование в виде одной детали с многочисленными перегородками, кронштейнами, переходами, функциональными отверстиями и т.д. Заготовки корпусов изготавливают методами заливки расплавленного металла (обычно это чугун или силуминовый сплав) в песчаную газопроницаемую литейную форму. Это самый недорогой способ получения заготовки (которая максимально приближена к заданному в готовом состоянии виду), и обеспечивающий необходимые прочность, стабильность размерных параметров во времени, надежность в работе. Все другие способы изготовления корпусных деталей, как правило, более трудоемки в производстве и менее надежны в работе.
Получение качественных заготовок в виде отливок для машин ТиЛП связано с рядом технологических трудностей. При заливке литейной формы металлом формовочная смесь выделяет газы. Так как свободный отвод газов из литейной формы невозможен, то внутреннее давление газов в форме (достаточно большое при одновременно высокой скорости газообразования) способствует образованию в отливке газовых раковин. Газ, попадая в металл отливки, образует в теле отливки газовые пустоты, полости, которые снижают прочность сечений отливки. Они могут послужить не только снижению эксплуатационных свойств машины, но и быть причиной выхода ее из строя. Одна из основных задач технолога при изготовлении отливки корпуса — не допустить образование газовых раковин в ее сечениях.
В этой связи становится необходимым понять, как I происходит процесс газообразования в форме, как
движутся (фильтруются) газовые потоки в ней, как происходит проникновение газа в тело отливки и т.д.
Уравнения состояния и фильтрации газа в пористой среде
Фильтрация газа в литейной форме при некоторых допущениях и граничных условиях может быть приближенно описана уравнением Дарси-Лейбен-зона.
Общие положения теории фильтрации газа, когда течение его подчиняется закону Дарси, заключается в следующем. При существовании избыточного давления газа или жидкостной субстанции в пористой среде состояние этой субстанции описывается характеристическим уравнением /1/ вида
p = ffp,T)
(1)
где р —плотность газа или жидкости, р —давление, Т — температура.
Если принять для некоторого промежутка времени
Т = const, (2)
то характеристическое уравнение (1) примет вид
p = ft(p). (3)
Тогда для ламинарной установившейся фильтрации компоненты линейной скорости газового потока в направлении «(»определяют по правилу Дарси:
а
1 Ц дГ
(4)
где (а - коэффициент динамической вязкости, слабо зависящий отдавленияр и, примерно, как у/Т оттем-пературы /11/; к — геометрическая характеристика пористой среды с размерностью м2, называемая проницаемостью среды /1 /. Ее физический смысл понимается автором как величина площади просвета в нормальном сечении поровых каналов при данной конкретной конфигурации пор и обеспечивает при
данном градиенте давления др/В1 соответствующую скорость фильтрации газа.
Коэффициент к есть функция пористости ш и гидравлического радиуса 5 среднего поперечного сечения порового канала:
к = {л(т)бг (5)
Если пористая среда сжимаема, то
А = /4(Р), (6)
где р — давление сжатия среды.
Если макростроение пористого пространства неоднородно, то к есть функция координат точки этого пространства:
к = к(х,у,г). (7)
Процессы, вызывающие фильтрацию газа в литейной форме
Фильтрация газа в литейной форме обусловлена тепловым воздействием на нее горячего металла со стороны границы раздела металл-форма. Это воздействие приводит к появлению градиентов температуры и давления по толщине стенки формы и ряду других одновременно протекающих процессов. Здесь рассматриваются только те процессы, которые связаны непосредственно с фильтрацией газа в форме. Перечислим эти процессы:
* конвективная фильтрация; может быть вызвана теплоперепадом по толщине стенки формы;
* фильтрация газа, обусловленная увеличением давления в слое, примыкающем к границе раздела металл-форма. Увеличение давления вызывается невозможностью увеличения объема газа за счет его расширения;
* фильтрация газа, вызванная дополнительным приращением объема газа из-за термодеструкцион-ных физико-химических превращений некоторых компонентов формовочных смесей (связующих, стабилизаторов, окислителей, растворителей и т.п.) с образованием газообразных продуктов, а также вследствие испарения влаги в слое формы, примыкающем к отливке.
По мере прогрева глубинных слоев формы до температуры термодеструкции (Тд) этот процесс будет развиваться и дальше.
Первый из вышеперечисленных процессов связан с неравномерным нагревом газа по толщине стенки формы и, по всей вероятности, оказывает минимальное влияние на общую фильтрацию газа, так как может осуществляться, если имеются условия для беспрепятственного объемного расширения газа и свободного перемещения его частиц в пространстве. В форме эти условия не выполняются. В самом деле, объем, который газ занимает в форме, ограничен некоторой конечной величиной, практически не изменяемой во времени. А свободному перемещению частиц газа в форме препятствует газонепроницаемая граница со стороны металла и, ограниченный контуром формы или стержня, объем свободного про-странствадля движения газа, составляющий примерно до 35% общего объема формы. Объем этот статистически сравнительно равномерно распределен в форме. Процесс естественной тепловой конвенции станет заметным, когда процесс газообразования в форме подойдет к концу, и будет продолжаться, пока температура формы не станет, равна температуре окружающей среды, т.е. после полного остывания отливки.
Второй из выше отмеченных процессов. Вследствие разогрева газа (первоначально - в объеме пограничного с отливкой слоя формы) и невозможности его свободного и неограниченного расширения, произойдет повышение давления газа в этой части формы и стержня. Градиент давления будет иметь направление по нормали к поверхности контакта формы с металлом, т.е. в сторону увеличения давления, адви-жение газового потока будет происходить в обратном направлении, т.е. в сторону минимального давления газа в форме. Неясно, можно ли считать такую фильтрацию ламинарной. Ориентировочный подсчет числа Рейнольдса говорит в пользу ламинарной фильтрации. Приведем его.
Принимаем: и — 15,0 м/с — скорость течения газа в поровом канале; Ь — 0,35 мм — диаметр поперечного сечения порового канала в стенке формы; и -230,17-Ю"6 м2/с — кинематическая вязкость воздуха при температуре I = 1200 °С и нормальном атмосферном давлении.
Тогда
_ ГЛ. 0,3515,0-10
= — = —--—;— « 22,8
е у 230,17-10
Полученный результат много меньше 1300 и можно утверждать, что газовые потоки в форме ламинарные. Этот вывод нашел подтверждение в целом ряде экспериментальных проверок /1, 2 и др./, для избыточных давлений до 10 атм при высоте слоя уплотненного песка от 1 до 12 метров. В литейной форме эти цифры значительно меньше. Однако вследствие перетекания струек газа с одного участка на другой при некоторых условиях и их перемешивания в процессе фильтрации можно рассматривать такое движение как турбулентно направленное. В чисто ламинарном движении потока перемешивание струй не происходит.
В связи с изложенным, остается невыясненным вопрос: какой наблюдается процесс — изохоричес-кий, при котором подведенная к системе тепловая энергия расходуется на повышение внутренней энергии и при ограниченном поровом пространстве для расширения газа давление в порах вследствие этого повышается; или адиабатический, проходящий без теплообмена с окружающей средой, что должно вызвать повышение температуры газа за счет невозможности его расширения в ограниченном объеме, и как следствие — рост его давления. Или это смешанный адиабатическо-изохорический процесс? Не будь адиабатического процесса (что в чистом виде возможно только при полном вакуумировании полости формы перед заливкой ее металлом) градиент давления по толщине стенки формы все равно будет иметь место. Его появление обусловит третий процесс — процесс газообразования в форме.
Процесс газообразования развивается во времени и первоначально захватывает только слой, контактирующий с металлом. Скорость его распространения в глубинные слои формы будет определяться скоростью продвижения теплового потока от границы раздела металл-форма к поверхности Б0 стока газов (поверхности с минимальным внешним давлением). Величина градиента давления, а следовательно, избыточное давление Рф на границе раздела металл-форма, будет определяться с одной стороны объемной скоростью газообразования, а с другой — скоростью отвода образовавшихся газов за пределы формы. Дополнительно образовавшееся количество газа вывести за пределы формы невозможно, так как
вначале необходимо вывести газ, заполнявший поры формы до ее заливки. На это требуется какое-то время. Заметим, что скорость удаления газа за пределы формы, при прочих равных условиях, зависит от величины дгас1р и сопротивления Ум с среды фильтрации. Поэтому градиент давления будет существовать до конца процесса газообразования, т.е., по существу, до выбивки отливки из формы.
Ограничить скорость отвода газа из формы, кроме сопротивления среды фильтрации, могут еще две причины. Первая — при значительной толщине стенки формы и высотой влажности формовочной смеси фильтрующийся пар может концентрироваться в слабо прогретых слоях формы, расположенных на некотором удалении от поверхности Бк контакта отливки с формой. В этом случае образуется своего рода гидравлический затвор. Образование затвора приводит к резкому увеличению градиента давления, вторичному интенсивному парообразованию и выжиманию влаги газом из формы. Ясно, что процесс этот будет сопровождаться заметным повышением газового давления во всем объеме формы.
Другая причина состоит в возможности уменьшения проницаемости стенок формы из-за отложения на стенках поровых каналов продуктов термодеструкции — смол, кокса, пироуглерода, а также из-за возможного набухания частиц глины и обволакивания водной пленкой зерен песка. Это приводит к уменьшению просветов поровых каналов, а следовательно и величины К.
В начальный период величина градиента давления будет определяться температурой заливаемого металла, скоростью заливки формы и особенностями конфигурации поверхности отливки. Чем меньше скорость заливки, тем дольше не наступает первый максимум газового давления и тем он меньше при наступлении, Но этого нельзя сказать о втором максимуме. Он может наступить в этом случае до момента образования твердой корочки металла и вызвать брак отливок по газовым раковинам.
Представляет интерес и другое обстоятельство. В одной и той же точке формы с координатой (х, у, г) процесс газообразования может происходить несколько раз /3/ в зависимости от степени ее прогрева. Например, температура испарения влаги (воды) зависит от вида связи ее с другими компонентами формовочной смеси. Для свободной воды эта температура равна 100° С, для пленочной — 200...250° С, а для конституционной — 600...700° С.
Из сказанного следует, что процесс газообразования в форме и скорость газообразования есть сложные функции физико-химических процессов и свойств термодеструкционных составляющих формовочных смесей, скорости продвижения изотермы Т , коэффициентов теплопроводности, теплопередачи, температуропроводности, состава смесей, плотности набивки формы, внешних условий (например,
наличие противопригарных покрытий, продувка формы, создание избыточного внешнего давления или разряжения технико-технологическими средствами) и т.д.
Исследования показали возможность использования уравнения фильтрации Дарси-Лейбензона для построения модели газового режима литейной формы. Математическое разрешение модели позволяет построить в свою очередь алгоритм САПР конструкции формы и проектирования технологического процесса получения литой заготовки без газовых раковин.
Выводы
Корпусные заготовки деталей машин ТиЛП получают методом литья металла в песчаные газопроницаемые формы. Качество отливок, а значит, и конечное качество машин будет зависеть и от напряженности газового режима литейной формы, т.е. от режима фильтрации газов в ней и величины газового давления на поверхности раздела металл-форма.
Процесс фильтрации газа, образование газового потока в литейной форме обусловлен существованием градиента давления по границам области фильтрации.
Фильтрацию газа в литейной форме можно считать ламинарной или упорядоченной турбулентной (из-за факта перемешивания газовых струек при движении по пористому пространству с макроструктурой случайной архитектуры) и направленной вдоль градиента давления.
В этой связи можно допустить, что газовые потоки в литейной форме одномерны, т.е. считать зависящими только от одной координаты, которая отсчи-тывается по линии градиента давления.
Функция давления в форме зависит от скорости газообразования, скорости фильтрации, теплопере-пада и времени I процесса, которые, в свою очередь, обусловлены физико-химическими превращениями в форме, свойствами формовочных материалов, макросвойствами уплотненного пористого пространства формы и общей геометрией формы.
Библиографический список
1. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде./ М.-Л.: Гостехтеориэдат, 1947.283 с.
2. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде. / М,: Гостехтеориэдат, 1953.570 с.
3. Медведев Я.И. Газовые процессы в литейной форме. / М.: Машиностроение, 1980.195 с.
БОНДАРЕВ Олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика».
