CC BY
50
УДК 621.74
А. В. Семушкин, Г. В. Козлов, Н. О. Архипов
К ВОПРОСУ ОБ ОБРАЗОВАНИИ ЗАДИРА НА МАТЕРИАЛЕ ОТЛИВКИ
Аннотация.
Актуальность и цели. Важнейшим показателем качества отливок, получаемых литьем в металлические формы, является состояние их поверхности. Наиболее частым дефектом поверхности является задир. Целью работы является установление математических зависимостей между параметрами литья и величиной задира на поверхности отливки.
Материалы и методы. Разработаны физико-математические модели образования задира на отливке и формирования шероховатости поверхности отливки, получаемой литьем под давлением. Для решения задачи по образованию задира на отливке использован метод построения разрывных кинематически возможных схем пластического течения материала отливки. При разработке физико-математической модели формирования шероховатости поверхности отливки рассмотрены этапы: затекания расплава в шероховатость литейной формы; образования корочки затвердевшего металла и ее внедрения в материал формы; внедрения твердого металла при усадке. На основе математических моделей написаны программы расчета на ЭВМ. Проведены эксперименты по проверке математической модели формирования шероховатости отливки.
Результаты. Получены математические зависимости, позволяющие определить параметры, влияющие на образование «задира» на поверхности отливки. Показана взаимосвязь «задира» с величиной шероховатости поверхности отливки перед ее извлечением из формы. Установлено, что формирование шероховатости отливки при литье под давлением происходит в основном в момент окончания заливки металла.
Выводы. Проведенное исследование позволяет не только количественно оценить влияние известных способов предотвращающих «задир», но и показывает возможность использования новых способов (например, вибрацию).
Ключевые слова: отливка, «задир», шероховатость поверхности, литье в металлические формы, физико-математическая модель.
A. V. Semushkin, G. V. Kozlov, N. O. Arkhipov
ON THE PROBLEM OF SCORE OCCURRENCE ON CASTING MATERIAL
Abstract.
Background. An important quality indicator of castings, obtained by metal mold casting, is the surface condition thereof. The mosten often surface defect is a score. The work is aimed at determining mathematical dependencies between casting parameters and score size on casting’s surface.
Materials and methods. The authors developed physical and mathematical models of score occurrence on castings and of surface roughness occurrence on castings, obtained by die casting. To solve the problem of score occurrence on castings the authors used the method of construction of bursting kinematicly possible schemes of casting material’s plastic flow. In development of the physical and mathematical
model of castng’s surface roughness formation the researchers considered the following stages: melt flowing into mold score; kish sinterskin occurrence and penetration thereof into mold material; penetration of hard metal during shrinkage. On the basis of mathematical models the authors wrote computation computer programs and carried out experiments on checking the mathematical model of casting roughness occurence.
Results. The researchers obtained mathematical dependencies allowing to determine parameters influencing occurrence of scores on casting’s surface. The authors showed the interrelation between a score and a size of casting’s surface roughness before demolding. It is established that casting’s roughness occurrence during die casting takes place at the end of metal pouring.
Conclusions. The conducted research allows not just to quantitatively estimate the influence of the known ways of score prevention, but also to display the possibility of using new approaches (for example, vibration).
Key words: casting, score, surface roughness, metal mold casting, physical and mathematical model.
Введение
Важнейшим показателем качества отливок, получаемых литьем в металлические формы, является состояние их поверхности. Наиболее частым дефектом поверхности является задир. Он представляет собой рваную царапину на поверхности отливки. Задир на отливках образуется при литье: в кокиль, под давлением, центробежным способом (с вертикальной осью вращения). Он, как правило, образуется на внутренней поверхности отливок, которые изготавливаются с помощью стержней. Причем особенностью формирования шероховатости поверхности отливки в этих случаях является то, что она образуется в результате контактного взаимодействия материала отливки и формы.
При этом в момент начала съема отливки со стержня контактируют согласованные поверхности формы и отливки, т.е. впадине на форме соответствует выступ на отливке и наоборот.
Для выявления влияния величины шероховатости отливки и формы перед началом съема отливки на образование задира была создана физикоматематическая модель контактного взаимодействия микронеровностей формы и отливки.
1. Физико-математическая модель образования задира на отливке
Для написания физико-математической модели были приняты следующие допущения.
Так как металл формы обладает большей прочностью и твердостью по сравнению с материалом отливки, то на основе реологии принимаем, что отливка - жестко-пластичное тело, а пресс-форма - жесткое.
Предполагаем, что на единице площади поверхности формы имеется одна микронеровность с углом при основании в и высотой гм, высота микронеровности отливки Ah < гм, скорость съема отливки уо постоянна (рис. 1).
Тогда материал отливки находится в условиях плоской деформации, описываемой теорией Мизеса [1]:
условием равновесия:
да дт = о,
дх dy
да v дт xv у- + = 0;
ду дх
- условием пластичности:
(о х-о у )2+4т ху =0;
- условием соосности девиаторов напряжений и скоростей деформаций:
ду ди
а y-а
x дy дx
= tg2a;
2Т йи йу
х --------+----
йу йх
- условием несжимаемости:
йи йу — + — = 0,
йх йу
где ох и оу - нормальные компоненты тензоров напряжений (индексы х и у указывают направление нормали к площадке); т^ - касательная компонента тензора напряжений; и и у - компоненты вектора скорости по осям х и у; а - угол, который составляют первые направления т = К с осью х; К = К(х; у) -максимальное касательное напряжение.
Рис. 1. Схема взаимодействия микронеровностей отливки и формы
Для решения этой задачи можно воспользоваться методом построения разрывных кинематически возможных схем пластического течения материала отливки, основанных на экспериментальных теоремах пластичности.
Анализ результатов решения этой задачи показал, что одним из важнейших показателей, оказывающих влияние на образование задира, является величина заполнения впадины формы материалом отливки ф, определяемая по формуле
АН Ф = —,
где АН - глубина проникновения материала отливки в микронеровности формы. При этом ф сравнивается с критической величиной заполнения впадины формы материалом отливки фкр. Величина фкр определяется по формуле
Фкр _
1 +
V
' ctg Р + 1,2
HBm
\Пк
HB0
-1
где НВтах - твердость материала отливки, соответствующая предельной деформации при температуре съема Тс; НВ0 - твердость материала отливки в исходном состоянии при Тс; пк - постоянная, характерная для данного сплава.
Критическая величина заполнения впадины пресс-формы материалом отливки зависит от угла микронеровности формы в и твердости материала отливки при Тс до и после наклепа.
1. Если ф < фкр, то имеет место стационарный режим деформирования, при котором микронеровности отливки срезаются, не образуя задира.
Так как на материал отливки во время ее съема действуют силы съема и усадки ^у, то результирующая сила ^р будет способствовать внедрению материала отливки в микронеровности формы. При движении отливки ее материал сжимается, упрочняется (наклепывается), но не заполняет впадину формы полностью), и, когда напряжения, возникшие в материале, превысят предел прочности, в нем образуется трещина. Дальнейшее движение отливки приводит к срыву нароста без образования задира, так как материал нароста не царапает отливку (рис. 2).
Рг
Рис. 2. Этапы съема отливки без образования «задира» на отливке: а - до начала съема; б - сжатие и упрочнение материала; в - срыв наростов
м
В этом случае длина 1з и глубина Нз задира (царапины) на отливке могут быть определены по формулам [2]:
1з = — з tg в
1,4+
V
' ctgв +1,2
HEm
\nk
HE
Ah
0 У
f HE ^nk ^
max
V HE0
1
Ah.
2. Если ф > фкр, то процесс деформирования носит нестационарный характер.
При съеме отливки (рис. 3) в начале движения материал отливки деформируется на линии АВ, проседает в глубь впадины, заполняя все пространство между отливкой и формой. Вследствие сжатия материала отливки происходит его упрочнение. Упроченная зона выступает над вершиной В и начинает деформировать материал отливки. В результате за упроченной зоной образуется углубление, материал из которого налипает на участке СВ и затем упрочняется на поверхности углубления. При напряжениях, превосходящих предел прочности материала отливки, образуется трещина. Образование трещины облегчает срыв вершины нароста. В дальнейшем процесс повторяется и на отливке образуется задир. Длина задира в этом случае может быть определена по формуле
Із =
X ф-tg в 1 -ф
(1 + 0,5AX - tgв) +1
Ah,
где X = Х\ / АН, Хх - перемещение отливки относительно микровыступа формы; А - коэффициент, зависящий от склонности материала к деформационному упрочнению.
Рис. 3. Образование задира на отливке
На базе полученных зависимостей была разработана программа расчета на ЭВМ. Она реализована на языке ДЕЛФИ.
Расчеты по ней показали, что для пресс-формы с высотой шероховатости поверхности гм = 5мкм и углом основания шероховатости в = 60° крити-
ческая величина проникновения материала отливки из алюминиевого сплава АК12 равна АН ~ 1 мкм, а для цинкового ЦА4М1 АН ~ 2,1 мкм.
Поэтому важно определить, какие факторы влияют на глубину проникновения материала отливки в микронеровности формы АН. С этой целью была разработана физико-математическая модель формирования шероховатости поверхности отливки.
При каждом способе литья в металлические формы есть свои особенности формирования шероховатости поверхности отливки до начала ее извлечением из литейной формы. Представленная физико-математическая модель формирования шероховатости поверхности отливки характерна для литья под давлением.
Очевидно, что при литье под давлением проникновение материала отливки в микронеровности формы АН может происходить на этапах: заливки металла в форму; деформирования корочки затвердевшего металла под действием внешних сил; внедрения твердого металла отливки под действием внешних сил и усадки металла при охлаждении.
Процесс формирования шероховатости отливки начинается с поступления жидкого металла в форму. Очевидно, что в этот период перегретый металл может затекать в микронеровности формы. Величина этого затекания в каждой конкретной точке отливки в зависимости от ее конфигурации имеет различное значение. Максимальное затекание расплава во впадины шероховатости формы будет происходить при прямом ударе струи металла о стенку формы.
Глубину затекания расплава в микронеровности формы АН можно получить из уравнения [3]
2. Физико-математическая модель формирования шероховатости поверхности отливки
K1Ah14 - M1Ah13 + L1Ah12 + N1Ah1 - R1 = 0,
где
'ora V ^отл У Ржм1м2 Т + СмAT )2
'отл V ^отл У p жм1м2 (Т + CMAT )2
- ^ cos А, N1 = 8ГмХcos А,
l l
И/Г И/Т
cos А+P0 Гм2,
£ - коэффициент теплоотдачи на границе раздела металл-форма; 1м - шаг микронеровности; Тз - температура заливаемого металла; Тф - температура формы перед началом заливки; £пит - площадь сечения питателя; £отл -площадь сечения отливки; ржм - плотность жидкого металла; Н - удельная теплота кристаллизации металла; См - удельная теплоемкость жидкого металла; АТ - перегрев заливаемого металла; % - поверхностное натяжение; А -краевой угол смачивания; Р0 - атмосферное давление.
При контакте расплавленного металла с формой на ее поверхности начинают образовываться кристаллы, что приводит к образованию корочки затвердевшего металла.
Толщина корочки металла во время заливки определяется, с одной стороны, процессом увеличения толщины слоя за счет затвердевания, а с другой -процессом разрушения слоя течением перегретого металла. Тогда ее толщину можно рассчитать, используя соотношения Г. Ф. Баландина [4] и Ю. А. Степанова [5] по формуле
где Ьф - коэффициент теплоаккумулирующей способности формы; Ть - температура ликвидус; р£ - плотность металла при температуре солидус;
температур ликвидус и солидус; АТкр = Ть - Т£ - интервал температур кристаллизации; Хр - путь, пройденный расплавленным металлом по литниковой системе и отливке; х - расстояние от питателя до сечения отливки, в котором определяется толщина корочки; V - скорость течения металла; В - ширина полости литейной формы; пс - показатель степени.
После окончания заливки металла размывание корочки прекращается, и ее толщину рассчитываем по формуле
В это время на корочку оказывается максимальное давление Р, которое складывается из давления подпрессовки Рпод и гидравлического удара Ргу [6], возникающего из-за резкой остановки течения металла в полости формы. Величину давления можно рассчитать по формуле
где Рак - давление в аккумуляторе машины литья под давлением (ЛПД); ^ц.пр - диаметр цилиндра прессования машины ЛПД; Опор - диаметр прессующего поршня; vпp - скорость прессования; Ем - модуль упругости заливае-
среднее значение теплоемкости металла в интервале
1,1зЬф Тз - Tl )
мого металла; 1ф - длина полости формы; тпп - продолжительность перекрытия потока.
Под действием давления жидкого металла Р корочка внедряется в микронеровности формы, формируя шероховатость поверхности отливки. Это внедрение идет двумя параллельными путями: за счет прогиба корочки и за счет проникновения материала отливки в микровпадины формы до тех пор, пока Р не сравняется с противодавлением воздуха, отсеченного в микровпадинах формы. Из этого условия можно определить глубину Д^2 проникновения материала отливки в микровпадины формы в момент окончания заполнения формы [7]:
ДИ^ — ^2 ДЬ^ + N2 Д^2 — Д = 0,
где
L = 2(rM - Ahi),
N2 = (гм -A^)2,
R = РТк (Гм -A^)2 пг0тл cos 0-sin(0-y) /М (гм -Ahl )2 R2 =----
тф 2^(1 + v)sin 0 38,5£тм^к3орГм2
тм'корм
Тк - температура корочки металла; готл - радиус отливки; 0 - половина угла при основании микронеровности формы; у - угол, образуемый вытесненным металлом при внедрении выступа формы в отливку; Тф - температура формы, к - пластическая постоянная; Етм - модуль упругости металла отливки при Тк.
В ходе охлаждения отливки происходят усадочные процессы, которые могут привести к изменению ее микрорельефа. Давление на форму, возникающее в результате усадки отливки, определяли по формуле Г. П. Борисова [8].
Глубина внедрения материала отливки в микронеровности формы в период от окончания заполнения формы до начала извлечения отливки прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна пределу текучести материала отливки ст . Причем с охлаждением отливки и уменьшением температуры ее поверхности растут и давление усадки, и предел текучести материала.
С учетом этого общую глубину ДЙ3, на которую проникает материал отливки после воздействия всех сил, можно рассчитать по формуле
ДИз3 — Х^Дй^2 + N3 ДИ3 — Л3 = 0,
где
Х3 = 2 (м — ДИ2 2 Щ3 = (м — ДИ2 )2, пготл [С080 — (10 — У)]Р(м — ДИ2 )2 Тпов>/3
дз =----------------------------------------------
ТкОт 1 (1 + у)т 0
Тпов - температура поверхности отливки в момент окончания затвердевания металла питателя; готл - характерный размер отливки; Р - давление внешних
сил на металл; - предел текучести материала отливки при температуре
Т
пов
На базе этой физико-математической модели была разработана программа расчета на ЭВМ. Расчеты, проведенные по ней, дали следующие результаты:
1. Затекание металла в микронеровности формы (в зависимости от места подвода металла в форму) составляет 0,4-5,6 % от их высоты и 7-13 % от общей величины проникновения материала отливки в микронеровности отливки.
2. Проникновение корочки затвердевшего металла в микронеровности формы в момент окончания подпрессовки составляет 85-92 % от общей величины шероховатости отливки.
3. Влияние внедрения корочки затвердевшего металла в период от окончания движения прессующего поршня до момента «перемерзания» питателя составляет менее 1 %.
4. Проникновение материала отливки в микронеровности формы под действием усадочных процессов составляет 1-3 % от общей величины.
3. Экспериментальная проверка математической модели формирования шероховатости поверхности отливки
Для проверки разработанной физико-математической модели была изготовлена специальная пресс-форма литья под давлением (рис. 4), которая имеет сменный стержень 1. В пресс-форме он крепится с помощью штифта 2, упорного рычага 3, крепежного болта 4 и упора 5. Такая конструкция крепления стержня 1 позволила быстро и легко удалять его вместе с отливкой 6 из пресс-формы. Суть эксперимента заключалась в том, чтобы получить отливку с теми микронеровностями, которые получаются после заливки и выдержки ее в форме. После охлаждения отливки в форме она вместе со стержнем извлекалась из пресс-формы. Затем отливка, имеющая форму цилиндра, разрезалась и снималась без нарушения геометрии микронеровностей со стержня. Состояние поверхностей исследовалось с помощью профилографа. Определялась величина шероховатости формы (стержня), а также общая величина проникновения материала отливки в микронеровности формы и величина затекания жидкого металла. Особенностью проведения экспериментов по определению величины затекания жидкого металла в микронеровности пресс-формы являлась заливка в форму неполной дозы жидкого металла, чтобы исключить влияние давления подпрессовки. На рис. 5 приведено сравнение экспериментальных и расчетных значений величины шероховатости формы и отливки.
Экспериментальные исследования показали, что глубина затекания расплава составляет 8-15 % от общей величины проникновения материала отливки и 6-12 % от высоты микронеровности пресс-формы. Достаточно большое расхождение расчетных и экспериментальных значений при формировании шероховатости поверхности, по-видимому, можно объяснить: сложностью рассматриваемых процессов; большим количеством допущений, принятых при написании физико-математической модели; использованием в расчетах процессов микромира, законов и свойств материалов макромира.
7- — т !
-
— -л ТТ "7*“ Т ТТ —
4 V- т - т -S- 't-
г>- - ТТ '—і ТТ '-V - - \
?- :Х -t- -V -f-
' ТТ S /
-V -Ґ- л- -г-
б)
Рис. 5. Шероховатость поверхности: а - экспериментальная; б - расчетная; 1 - формы; 2 - отливки; 3 - отливки после затекания
Однако проведенное исследование позволяет утверждать, что затекание расплава не является основным фактором, влияющим на величину проникновения материала отливки в микронеровности пресс-формы, как считалось до
сих пор. Физико-математическая модель, программа расчета по ней, а также проведенные эксперименты позволяют определить стадии формирования микрорельефа отливки при литье под давлением и уточнить влияние их на это формирование.
Заключение
В работе сделана попытка с научной точки зрения объяснить образование задира на отливке. Для этого разработаны физико-математические модели образования задира на отливке и формирования шероховатости поверхности отливки перед ее извлечением из формы. Проведенное исследование позволяет не только количественно оценить влияние различных факторов на способы, традиционно использующиеся для уменьшения вероятности образования задира (нанесение смазочного материала на форму, литейные уклоны на стержнях), но и показывает возможность использования новых способов, которые позволяют снизить наклеп при съеме отливки (например вибрацию).
Список литературы
1. Томленов, А. Д. Теория пластического деформирования металлов / А. Д. Том-ленов. - М. : Металлургия, 1972. - 408 с.
2. Алексеев, Н. М. Задача о движении штампа по пластическому полупространству с учетом упрочнения в связи с вопросами заедания пар трения / Н. М. Алексеев, И. В. Крагельский // Исследования по триботехнике : тр. специалистов СССР и ГДР / под общ. ред. А. В. Чичинадзе. - М., 1975. - С. 5-18.
3. Архипов, Н. О. Математическое моделирование формирования шероховатости поверхности отливки под действием внешних сил / Н. О. Архипов, А. В. Се-мушкин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - С. 87-92.
4. Флеминге, М. Процессы затвердевания : пер. с англ. / М. Флемингс. - М. : Мир, 1977. - 424 с.
5. Рабинович, Б. В. Введение в литейную гидравлику / Б. В. Рабинович. -М. : Машиностроение, 1966. - 424 с.
6. Белопухов, А. К. Технологические режимы литья под давлением / А. К. Белопухов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1985. - 272 с.
7. Семушкин, А. В. Исследование процесса съема отливки при литье под давлением с наложением продольной вибрации / А. В. Семушкин, В. Н. Зеленов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 1993. - № 3-5. - С. 86-91.
8. Борисов, Г. П. Давление в управлении литейными процессами / Г. П. Борисов. -Киев : Наук. думка, 1988. - 272 с.
References
1. Tomlenov A. D. Teoriya p/asticheskogo deformirovaniya metaUov [Theory of metal plastic deformation]. Moscow: Metallurgiya, 1972, 408 p.
2. Alekseev N. M., Kragel'skiy I. V. Iss/edovaniya po tribotekhnike: tr. spetsia/istov SSSR i GDR [Research in tribo-engineering: USSR and GDR experts’ works]. Moscow, 1975, pp. 5-18.
3. Arkhipov N. O., Semushkin A. V. Mode/i, sistemy, seti v ekonomike, tekhnike, prirode i obshchestve [Models, systems, networks in economics, engineering, nature and society]. Penza: Izd-vo PGU, 2012, pp. 87-92.
4. Flemings M. Protsessy zatverdevaniya: per. s ang/. [Solidification: translation from English]. Moscow: Mir, 1977, 424 p.
5. Rabinovich B. V. Vvedenie v liteynuyu gidravliku [Introduction into casting hydraulics]. Moscow: Mashinostroenie, 1966, 424 p.
6. Belopukhov A. K. Tekhnologicheskie rezhimy lit’ya pod davleniem [Technological modes of die casting]. Moscow: Mashinostroenie, 1985, 272 p.
7. Semushkin A. V., Zelenov V. N. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [University proceedings. Mechanical engineering]. 1993, no. 3-5, pp. 86-91.
8. Borisov G. P. Davlenie v upravlenii liteynymi protsessami [Pressure in casting processes control]. Kiev: Nauk. dumka, 1988, 272 p.
Семушкин Александр Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: alex.sem2304@yandex.ru
Козлов Геннадий Васильевич доктор технических наук, профессор, декан факультета повышения квалификации и дополнительного образования, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: GVK@yandex.ru
Архипов Никита Олегович студент, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: arkhipovnikita@mail.ru
Semushkin Aleksandr Vladimirovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of welding, casting production and materials sciences, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Kozlov Gennadiy Vasil'evich Doctor of engineering sciences, professor, dean of the faculty of advanced studies and additional education, Penza State University (40 Krasnaya street,
Penza, Russia)
Arkhipov Nikita Olegovich
Student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 621.74 Семушкин, А. В.
К вопросу об образовании задира на материале отливки / А. В. Семушкин, Г. В. Козлов, Н. О. Архипов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30). - С. 77-88.
