Определение напряжений в кристаллизующемся слое стенки отливки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список литературы

1. Савин И.А. Формирование базы данных вариантов материала режущей части инструмента и метода его поверхностного упрочнения // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2012. №3. С. 97-105

2. Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Циркин А.В. Работоспособность торцовых фрез с многослойными износостойкими покрытиями. Ульяновск: УлГТУ, 2005. 152 с.

3. Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса пресс-форм

литья под давлением цинковых сплавов и некоторые пути ее разрешения // Справочник. Инженерный журнал (с приложением). М., 2013. № 6.

4. Березин Д.Т. Повышение эксплуатационной стойкости пресс-форм литья под давлением на основе анализа теп-лонапряженного состояния и моделирования процессов термоусталостного разрушения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, 2002. 28 с.

5. Денисов В.Ю. Взаимодействие сплавов алюминия с материалами пресс-форм и повышение их стойкости функциональными покрытиями: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2005. 16 с.

Сведения об авторах

Леушин Игорь Олегович - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». E-mail: igoleu@mail.ru

Савин Игорь Алексеевич - канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой КТМП НЧФ КГТУ им. А.Н. Туполева.

Гавариев Ренат Вильсорович - ассистент кафедры КТМП НЧФ КГТУ им. А.Н. Туполева. E-mail: Gavarievr@mail.ru

♦ ♦ ♦

УДК 621.74.045:621.742.001.57 Савинов А.С., Тубольцева А.С.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕМСЯ СЛОЕ СТЕНКИ ОТЛИВКИ

Аннотация. Описаны причины усадки литой детали при затвердевании и охлаждении ее в форме. Ключевые слова: усадка, отливка, деформация растяжения.

Одним из наиболее характерных факторов, сопутствующих формированию отливок, следует считать процесс усадки литой делали при затвердевании и охлаждении ее в форме. Металл, залитый в форму с более низкой температурой, уменьшается в объеме (усаживается). Причиной зависимости действительной усадки от номинального размера кроме деформации формы при заливке может быть неравномерность усадки по длине (рис. 1), обнаруженная при проведении экспериментов, выполненных инженером М.Ю.Ершовым [1].

Установлено, что в основе описанного явления лежат особенности теплового расширения высохшей корки литейной формы [2].

Такое поведение сухой корки относится к периоду времени, когда залитый в форму металл

е.%

Номер участка

Рис.1. Изменение усадки по длине образца

находится в жидком состоянии и следует за расширяющейся формой. Размеры отливки в рассматриваемом продольном направлении увеличиваются, т.е. формируется предусадочное расширение.

Затем образуется твердая корка отливки, которая плотно прилегает к форме. Сухая корка формы продолжает расширяться, а твердая корка отливки должна сокращаться (усаживаться). Между отливкой и формой возникают силы трения. В первые моменты после образования твердая корка имеет малые толщину и прочностные свойства и поэтому растягивается более прочной расширяющейся сухой коркой формы. Деформация растяжения неодинакова по всей длине отливки. Если бы сухая корка формы не расширялась, то твердая корка отливки, не имея возможности сокращаться из-за сил трения, претерпела бы деформацию растяжения, равную усадке. Именно такая обстановка складывается за пределами концевых участков, где расширение сухой корки полностью затруднено. Концевые же участки сухой корки расширяются, поэтому деформация растяжения отливки на этих участках превысит усадку. Это означает, что предусадоч-ное расширение продолжает нарастать и после обра-

Раздел 5

зования твердой корки [2]. Рассмотрим напряженное состояние в формирующейся корке отливки.

Напряженно-деформированное состояние формирующейся корки отливки при затрудненной усадке Рассмотрим напряженное состояние нарастающей корки отливки в условиях затрудненной усадки (рис. 2) при свободном перемещении материала отливки вдоль поверхности формы (при отсутствии пригара). При расчете учли, что температура корки отливки в процессе ее роста, вследствие выделения теплоты кристаллизации, весьма близка к температуре конца кристаллизации, а следовательно, температурные напряжения в формирующейся корочке материала можно не учитывать. При этом, как показано выше, вследствие значительного перепада температур на граничных слоях литейной формы тепловое расширение этих слоев может быть значительным, и в общем случае его абсолютное максимальное значение Л1формы может быть выражено формулой

А/, = а,АТmax l

форм Ы ф ф

Рис. 2. Схема к расчету напряженного состояния нарастающей корки отливки при затрудненной усадке

Зная температурный перепад [3, 4], можно определить абсолютное удлинение

AL

формы

л T>max ■ = афАТф

Так как слой формы между элементами не позволяет свободно усаживаться корочке металла, то относительное растяжение стенки отливки будет равно величине вформы формы.

Откуда при известной зависимости напряжений от деформации и температуры и химического состава материала [5, 6] можно определить максимальные значения растягивающих деформаций.

а

= f {еформыТ;% ) = /{афА Tmr-, Т;% )• (3)

(1)

где аф - коэффициент термического расширения слоя литейной формы;

ДГт" - максимальный температурный градиент

ф

между начальной температурой формы перед заливкой и конечной наибольшей температурой;

I - длина деформируемой зоны между элементами затруднения.

Закристаллизованный

слой металла Сухой слой смеси

(2)

Напряженно-деформированное состояние формирующейся корки отливки при свободной усадке При отсутствии элементов затруднения на возникающие в корке отливки напряжения будут значительным образом влиять силы трения материала о поверхность формы. Рассмотрим условия возникновения максимальных напряжений в формирующейся корке отливки, вызванных усилием трения при свободной усадке стенки отливки.

Как известно, усилие трения Етр определяется как реакция опоры Кф (формы), домноженная на коэффициент трения ^ между материалом отливки и стенкой формы

FmP = №ф •

(4)

На основании III закона Ньютона реакция опоры в рассматриваемом случае будет выражена величиной гидростатического давления

Ron = Ph

(5)

где р - плотность жидкого металла; g - ускорение свободного падения; И - высота отливки.

Эпюра распределения реакции показана на рис. 3.

Закристаллизованный

слой металла Cyxoü owü anrnit

Рис. 3. Схема к расчету напряженного состояния нарастающей корки отливки при свободной усадке

l

62

Теория и технология металлургического производства

Учитывая, что величина усилия трения не зависит от площади контакта (см. выражение (3)), при расчете усилия трения требуется брать полную высоту отливки (т.е максимальное значение высоты к).

Эпюра распределения реакции показана на рис. 3. При образовании корки отливки в условиях отсутствия пригара напряжение в стенке отливки будет расти до момента преодоления растягивающим усилием силы трения [7], т.е. до момента выполнения условия

р > р . раст тр

Зная зависимость деформации от растяжения и рассматривая данную систему как центральнорастя-нутую балку с защемленным концом, максимальные растягивающие напряжения корки могут быть найдены как

Ррат

А

(6)

где АК - площадь закристаллизованной корки металла.

Учитывая, что максимальные напряжения в корке отливки будут формироваться в момент преодоления усилия трения, т.е. при р = р , рассчитаем

^ раст тр

возникшие напряжения.

' А

(7)

(8)

С другой стороны, при условии низкого температурного градиента (подогрев формы, невысокая температура плавления материала) либо небольшого коэффициента теплового расширения усилие трения может быть значительно выше усилия растяжения

Рраст(Ртр В этом случае максимальные напряжения,

возникающие в корке металла, будут определяться по выражению (3). Таким образом, процесс напряжений в растущей корке металла может быть выражен следующей системой:

р (р

раст\ тр р > р

раст тр

(9)

Следует учесть, что максимальное усилие трения может быть меньше усилия растяжения, вызванного температурной деформацией слоя формы. То есть при условии р \ р возникает возможность сдвига ма-

^ раст' тр

териала отливки по поверхности формы, а следовательно, выражение (7) позволяет вычислить возможные максимальные напряжения от усилия трения при свободной усадке, а из равенства выражений (3), (6) возможно определить температурный градиент, обеспечивающий сдвиг.

Следует отметить, что усилие трения может меняться от динамики усадочного процесса стенки отливки [7]. Однако при равномерном движении значения напряжений будут изменяться только в сторону уменьшения в связи с ростом закристаллизованного слоя стенки, а следовательно, полученные по выражению (7) напряжения кристаллизующейся корки будут максимальными при рассмотрении свободноусажи-вающегося элемента отливки.

Список литературы

1. Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения деформации и трещины в отливках. М.: Машиностроение, 1981 . 199 с.

2. Константинов Л.С., Трухов А.П., Ершов М.Ю. О механизме предусадочного расширения отливок // Технология автомобилестроения: науч.-техн. сборник / НИИНАвтопром. 1978. №10. С.1-3.

3. Савинов А.С., Андреев С.М., Тубольцева А.С. Программа расчета тепловых полей в литейных системах // Литейщик России. 2013. №3. С. 39- 42.

4. Савинов А.С., Тубольцева А.С., Варламова Д.В. Расчет теплового поля сырой песчано-глинистой формы // Черные металлы. 2011. Спец. выпуск. С. 36-38.

5. Савинов А.С. Определение сопротивления деформации стали в различных температурных условиях при ее упругом деформировании // Казанская наука. 2011. №2. С. 43-45.

6. Савинов А.С., Тубольцева А.С. Расчет напряжений в углеродистых сталях при высоких температурах // Современные технологии в машиностроении: сб. XV Меж-дунар. науч.-техн. конференции. Пенза: Приволжский дом знаний, 2011. С. 38-40.

7. Степанов Ю.А. Роль трения отливки о форму при образовании горячих трещин // Изв. вузов. Машиностроение. № 4.С. 86-94.

Сведения об авторах

Савинов Александр Сергеевич - канд. техн. наук, зав каф. ТМиСМ института металлургии, машиностроения и матери-алообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Тубольцева Алёна Сергеевна - ст. преп. института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

♦ ♦ ♦

к

а

а