CC BY
10УДК 631.746.073:621.745.012:62-252.6:672.47:62-222
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОДОГРЕВА РАЗНОТОЛЩИННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ОТЛИВКИ ВТУЛОК ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ
Т.С. Скобло, А.И. Сидашенко, A.B. Сайчук, И.Н. Рыбалко
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко
Аннотация. На основе проведенного анализа различных подходов по оценке энергозатрат, экологии и обеспечения потребительских свойств отливок втулок цилиндров при их производстве центробежным способом предложена технология, позволяющая регулировать условия кристаллизации отливок. Для обоснования параметров формирования однородных свойств по высоте втулки использован метод математического описания влияния параметров подогрева металлической формы с отличающимся сечением её стенки и минимизацией уровня напряжений. Показано, что это может быть наиболее эффективно обеспечено нагревом ТПЧ при циклическом режиме работы индуктора с периодическим его отключением. При этом, суммарное время нагрева составляет 4,2 ч., а отключения соответствует 1,2 ч, число циклов должно быть не менее трех.
Ключевые слова: экономия энергозатрат; улучшение экологии; отливка; втулка цилиндров; нагрев металлической формы; литьё.
Введение. Для регулирования условий кристаллизации изделий, как правило, перед заливкой подогревают форму, в которую их отливают. Этот метод используют как при производстве массивных отливок, например, прокатных валков так и тонкостенных - втулок цилиндров, корпусных деталей, тормозных дисков и др. [1-3].
При изготовлении деталей из чугуна степень подогрева металлической формы позволяет изменять соотношение структурных составляющих в рабочем слое массивных отливок из половинчатых чугунов или регулировать процесс графитизации в тонкостенных отливках из серого чугуна, обеспечивая требования эксплуатации. При отливке гильз цилиндров используют разнотолщинные металлические формы, что облегчает их последующее извлечение из горизонтальной центробежной машины. Вместе с тем, из-за различной их толщины скорость кристаллизации отдельных зон отливки существенно отличается, что увеличивает склонность к трещинообразованию.
Как правило, металлическую форму перед заливкой чугуна, независимо от способа производства изделия (стационарное и центробежные литье), ее предварительно подогревают в газовой печи [1] до необходимых температур (определяется массой отливки и требованиями по уровню свойств и структуры). При поточном производстве продукции, используемые металлические формы одновременно загружают в печь для их подогрева, а затем постепенно используют каждую при установке в центробежную машину и заливают жидкий металл. Такая технология использования подогрева металлических форм требует больших затрат энергоносителей, которые используются не рационально из-за длительного нахождения садки в печи. Кроме того, это ухудшает экологию цеха из-за длительного поддержания в печи температуры подогретых металлических форм. Рассматривая технологический аспект, необходимо отметить, что с одной стороны, из-за неравномерного нагрева всей садки, а с другой - при одинаковой температуре нагрева разнотолщинной по высоте формы не позволяет строго регулировать параметры охлаждения для обеспечения стабильных условий кристаллизации.
Поэтому решение таких проблем производства может быть достигнуто только при учёте всех отрицательных факторов производства. Наиболее экономичным и стабильным, с позиций достижения необходимой температуры подогрева формы, следует признать использование метода индивидуального её подогрева токами промышленной частоты. Такая технология соответствует экологическим требованиям и энергосбережению. Кроме того, регулируя процессом равномерного нагрева формы, можно существенно снизить уровень в ней напряжений и тем самым увеличить срок службы. При стабильно достигаемой температуре металлической формы будет возможным определить наиболее эффективную температуру извлечение втулки из нее после отливки. Это позволит минимизировать уровень напряжений и в отливке.
Целью исследований явилось разработка технологии на основе теоретического обоснования эффективности процесса подогрева металлической формы для отливки втулок цилиндров из серого чугуна центробежным методом на горизонтальной машине.
Результаты исследований. На первом этапе исследования провели грубую оценку показателей, которые послужили базой для дальнейших расчетов и оценок.
Расчет нагрева ТПЧ металлической формы (рис. 1) выполнен для отливки втулки гильзы цилиндра судового двигателя. В этом случае используется разнотолщинная по длине металлическая форма. Разнотолщинность характерна для наружной части стенки.
Учитывая разнотолщинность по высоте металлической формы, рассмотрели идеализированную модель. Она заключалась в том, что мощность индикатора задавали от времени его работы, а не от обратной связи. При этом использовали степенной закон распределения мощности по сложным зависимостям:
[8т(1)]2 - один вариант; (1)
[8т(2х1х&)]2 - второй вариант, (2)
где q - мощность, равная половине минимальной мощности; 1 - номер шага по времени; ск - шаг по времени.
то
1 /У Г а и
Ф2 50
Ф650
Рисунок 1 Сечение металлический формы
Индукционный нагреватель, обеспечивающийся индукционной катушкой и магнитопроводами, концентрируется и создаёт магнитный поток, что позволяет осуществлять локальный (местный) нагрев отдельных зон формы. Зоны детали, подлежащие обработке, выбирали в зависимости от цели нагрева. Выбирая форму и размеры катушки магнитопроводов, можно достичь в детали требуемое температурное поле во всех направлениях: радиальном (по толщине стенки), осевом (по длине детали).
Изложницы для центробежного литья втулок цилиндров являются ассиметричными изделиями, поэтому нагрев их в окружном направлении должен быть одинаков. Это достигается катушкой круглой формы.
С другой стороны, в случае, когда изложницы имеют переменную вдоль оси толщину стенки, интенсивность нагрева
отдельных зон должна быть различной. Поэтому индукционную катушку выполняют с неравномерным расположением витков по длине такой формы. Участок катушки, расположенный вдоль стенок увеличенной толщины, должен иметь большее количество витков, чем тот, что находится в зоне и у границы с тонкими стенками. Это требует нагревать металлическую форму с различной интенсивностью вдоль оси, чтобы обеспечить одинаковую в ней температуру. Равномерность нагрева разнотолщинной металлической формы в радиальном направлении каждой из зон достигается оптимальным выбором мощности индукционного нагревателя и временем его продолжительности.
Магнитопроводящая система охватывает катушку и изложницу, ускоряя нагрев последний. Такая схема нагрева дает возможность получить температурное поле изложницы практически равномерное во всех направлениях.
Количество тепла Q, необходимое для нагрева металлической формы оценивали как:
д=схшх оих), (3)
где С - удельная теплоемкость. Для стали 20 в интервале температур 0-300°С. С=0,122;
ш - масса изложницы, кг;
^ - температура нагрева металлической формы, не менее t2=300°C при заливке чугуна;
11 - температура окружающей среды. Принимали Э1=20°С. Выбор температуры нагрева не менее 300°С на поверхности металлической формы обеспечивает более длительное время пребывания в ней отливки при интервале температур магнитного превращения цементита (перлита), что уже при литье способствует снижению уровня напряжений.
д=0,122х940х(300-20)=32110,4 ккал. (4)
Суммарное количество тепла QCyM с учетом потерь (-15%) на рассеивание в окружающую среду оценивали как:
дсум = Qx1,15=32110,4x1,15=36926,96-36927 ккал. (5) Мощность Р, необходимая для нагрева металлической формы, должна быть не менее:
Р= дсум/0,24 т (6)
где 0,24 - переводной коэффициент 1 кВт=0,24 ккал/с. т - продолжительность нагрева.
Поскольку равномерность нагрева изложницы в радиальном направлении (по толщине стенки) в значительной степени зависит от продолжительности нагрева, то с учетом скорости процесса и теплопроводности материала принимали т=20 мин=1200с.
Р= 36927/(0,24х1200)=128,22-129кВт. (7)
Таким образом, изменяя время нагрева, можно управлять мощностью или, наоборот, меняя мощность, можно управлять временем нагрева.
В этих двух вариантах максимальная мощность источника была принята равной 2000000. Анализировали целесообразность использования и третьего варианта, который заключался в циклическом включении - отключении индикатора.
При этом, максимальную мощность источника использовали равной 8000000.
Кроме этого, в расчетах использовали следующие параметры: шаг по времени - 0,4ч; шаг по высоте и толщине металлической формы - 20 мм; планируемая температура нагрева 400°С (с расчетом при заливке на внутренней части достижения - 300°С); при циклической обработке шаг нагрева и охлаждения каждого 1,2ч.
Получено три типа графиков, соответствующих перечисленным выше зависимостям: температура, напряжения и время воздействия источника (рис. 2).
Температура представлена двумя оттенками красного цвета: более темный соответствует внутреннему слою (1); светлый -наружному (2).
Внутреннему слою соответствуют напряжения, обозначенные тёмно-зелёным цветом (3), наружному - светло-зелёным (4), а желтым (5) - средней зоне сечения металлической формы.
Синим цветом (6) приведено изменение относительной мощности источника во времени (отношение мощности в рассматриваемый момент времени к максимальным значениям).
Кроме того, выполнены сопоставительные исследования влияния толщины стенки металлической формы на уровень, возникающих напряжений.
Из приведенных зависимостей с учётом максимальной толщиной стенки формы 365 мм (см. рисунок 2 а-в) следует, что первые два варианта в течении часа нагрева не обеспечивают температуру даже 150°С. Однако, при этом, в первом случае имеют место минимальные напряжения.
Что касается общих затрат энергии, то сопоставляемые варианты являются идентичными. Хотя в третьем - используется большая мощность, но в этом случае она компенсируется отключениями индикатора. На третьем графике видно, что линия, соответствующая включению индикатора, является прерывистой, т.е. почти все время (кроме начала) индуктор отключён.
При увеличении мощности источника для первых двух вариантов, примерно, уже на втором часе температура существенно
повышается на наружной поверхности и до 500°С на внутренней.
Рисунок 2 Зависимости: температура - время обработки ТПЧ -напряжения: а - в - толстая часть формы; г - тонкая
Все эти рассмотренные варианты для толщины стенки металлической формы 365 мм являются не эффективными из-за большого уровня напряжений. При этом, деформации равны пластическим как во внутренней, так и наружной зонах. Регулировка мощности источника нагрева для поддержания стабильной температуры металлической формы вряд ли удастся осуществить. Как предусмотрено расчетом, синусоидальная регулировка с помощью включений и отключений индикатора (вариант рис. 2, в) приводит к
интенсивному росту напряжений с большим количеством перемен знака в одних и тех же точках металлической формы. Целесообразным для такой большой толщины металлической формы в этом случае может быть использование двухстороннего нагрева.
С уменьшением толщины стенки металлической формы до 200 мм (рисунок 2, г) циклический нагрев является более стабильным, с точки зрения колебаний достигаемых температур и уровня напряжений.
Расчетами было показано, что для тонкой части металлической формы требуется большая мощность источника нагрева. Анализом было установлено, что в этой зоне имеют место большие потери в окружающее пространство, но есть и другая причина, которая не была учтена в предыдущем расчете. Следовало бы учитывать мощность источника не в одной точке, а распределение её по - нескольким, согласно зависимости (четвёртый вариант):
Это характеризует число точек по толщине формы. Такой подход, учитывающий тепловой поток обеспечивает более устойчивое решение.
На следующем этапе исследований в уточненном варианте расчета нагрева разнотолщинной металлической формы использовали в качестве граничных условий тепловые потоки. В программе использовали 4 параметра: два по времени и два по толщине формы ^ и qte) qo=20000: qte=15000 для толстой части металлической формы qo=15000: qte=15000 для тонкой части металлической формы В этом случае тепловые потоки почти пропорциональны толщине металлической формы. При расчетах использован взамен степенного распределения мощности частный случай экспоненциального закона с вычислением параметров, при которых сохранялась бы заданная суммарная мощность. В первичном обосновании выбора и оценки влияния мощности источника нагрева не учитывалось распределение токов Фуко по толщине металлической формы, поэтому он является недостаточно надежным.
В новом варианте расчета при нагреве металлической формы напряжения, в отличающихся по толщине зонах, оказались существенно более низкими и их вообще можно не учитывать (рисунок 3). Независимо от толщины стенки металлической формы температура и ее распределение стабильные.
q = q
max
(8)
°С
а, МПа
Вариант 4 « Время'4
Продолжение рисунка 2 Из графических зависимостей видно, что существуют площадки выдержки температуры, и они близки к величине 0,4ч. Для наружного слоя более толстой части - это 500-520°С, а внутреннего - 330-345°С. Для тонкой части наружного слоя - 480-490°С, а внутреннего - 390-415°С.
Стабилизация температур в этом варианте происходит немного по другому закон:
Q(t)=qteXsm(4хiхdt) - для случая, если синус не отрицательный (9)
и 0 - если отрицательный (соответствует периоду отключения).
18
еоо 16
14
12
700'
5 10
600' АЛ МЛЛ :
6 3 ЩД):
ч У Т\ 0
400 ш у \ Л^Ч "Т' л я -п *2
1 / \ ¡Х^л "1 г -Г 1 Г "4
300' 1 I 1 Г 1 /1-е
1 1 1 1.1 1 .1
4 II 1 /' ■ 1 -10
200 ■ / 1 [■ 1 !■ ■-,2
2 Л \ 1 \ 'н
100' V V V ',б
1 6.8 7.6 8.4 9.2 10 10,(
(а) Время, ч
(б) Время, ч
Рисунок 3 Распределение температур и напряжений в различных зонах втулки: а - толстая часть формы; б - тонкая
Характер распределения температуры, напряжений стабилизируется для тонкой части металлической формы уже со второго цикла, а утолщенной части - с третьего. Однородность формируемой структуры отливки можно оценивать неразрушающим магнитным методом по коэрцитивной силе [4-5].
Таким образом, оптимальное время подогрева металлической формы для обеспечения стабильной температуры не менее 300°С на поверхности контакта с жидким металлом получено математическим моделированием и составляет: 4,2ч в период нагрева и 1,2ч - в период пауз.
При нагреве изделий, независимо от характеристики печного оборудования, температуру в области упругих деформаций повышают со скоростью 25 мм/ч. Исходя из этого, нагрев металлической формы толщиной 365 мм (182,5 мм при подогреве с двух сторон) может быть реализовано в период 7,4ч.
При этом КПД газовой печи составляет до 60%. Одновременно, нагрев металлической формы ТПЧ составляет 4,2ч. При этом КПД использования источника можно повысить, согласно предложенной технологии до 80%. Снижение энергозатрат при сокращении времени нагрева металлических форм использованием ТПЧ увеличивает их стойкость в эксплуатации до 15% благодаря торможению процессов деградации структуры металла, которые сопровождаются уменьшением уровня возникающих напряжений. Это статистически подтверждено неразрушающим контролем качества и оценено по снижению коэрцитивной силы в зависимости от используемого материала (3,9-7,9 до 6,9-10,6 А/см [4-5]).
Новое технологическое решение защищено патентом Украины
[6].
Выводы. На основе проведенного анализа различных подходов математического описания влияния параметров подогрева металлической формы с отличающимся сечением её стенки по высоте для отливки втулок цилиндров с минимизацией уровня напряжений предложен способ наиболее эффективного, с точки зрения обеспечения энергосбережения, экологии, экономии расхода форм и в техническом аспекте - программируемыми параметрами ТПЧ при циклической обработке с отключением индукторов. При этом, суммарное время нагрева составляет 4,2 ч, а отключения в период пауз 1,2 ч. Число циклов, обеспечивающих равномерный нагрев по высоте металлической формы должен составлять не менее трех. Предложенное и обоснованное техническое решение по технологии подогрева формы по сравнению с - печным позволяет увеличить КПД процесса с 60 до 80% и повышать их эксплуатационную стойкость на 15%.
Список использованных источников:
1. Производство и применение прокатных валков: Справочник. / Т.С. Скобло, А.И. Сидашенко, В.М. Власовец, О.Ю. Клочко и др. Под ред. проф. Т.С. Скобло. - X.: ЦД №1, 2013. - 572 с.
2. Качество чугуна при различных способах модифицирования его магнием / Т.С. Скобло, А.И. Сидашенко, A.B. Сайчук, И.Н. Рыбалко // Промышленность в фокусе. - Харьков, 2015. - №5|29|. -С. 56-58.
3. О причинах трещинообразования в корпусных отливках сельскохозяйственных машин / Т.С. Скобло, А.И. Сидашенко, A.B. Сайчук, И.Н. Рыбалко, В.В. Телятников // Научно-практический журнал «Агротехника и энергообеспечение» - Орел, 2015. - № 2 (6). -С. 3-14.
4. Применение неразрушающего контроля для оценки качества отливок из серого чугуна / Т.С. Скобло, А.И. Сидашенко, A.B. Сайчук, И.Н. Рыбалко, В.В. Телятников, A.A. Радченко // Научно-практический журнал «Агротехника и энергообеспечение» - Орел, 2015. - № 4 (8). -С. 15-25.
5. Анализ качества втулок цилиндров двигателей методом неразрушающего контроля / Т.С. Скобло, А.И. Сидашенко, Е.В. Ровный, М.В. Марченко, И.Н. Рыбалко, A.B. Сайчук // Научно-практический журнал «Агротехника и энергообеспечение» - Орел, 2015. - № 5 (9). - С. 26-32.
6. Патент Украши №105644 МПК (2016.01) C21D 1/00 C21D 1/34 (2006.01) Cnoci6 piBHOMipHoro нагр1ву конусно! р1знотовщинно1 металево! форми струмами промислово! частота / Т.С. Скобло, O.I. Сщашенко, О.В. Сайчук, I.M. Рибалко, С.А. Сатановський, O.K. Олейник, М.В. Марченко, С.В. Ровний; заявник та патентоутримувач Т.С. Скобло. - и 2015 10204. заявл. 19.10.15.; опубл. 25.03.16., Бюл № 6.
Тамара Семеновна Скобло, доктор технических наук, профессор,
Александр Иванович Сидашенко, кандидат технических наук, профессор,
Александр Васильевич Сайчук, кандидат технических наук, доцент,
Иван Николаевич Рыбалко, кандидат технических наук, старший преподаватель, kafrm @yandex. ru,
Украина, Харьков, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF HEATING OF DIFFERENTIAL METAL MOLDS FOR CASTING OF CYLINDER
BUSHINGS
Skoblo T.S., Sidashenko A.I., Saychuk A.V., Rybalko I.N.
Abstract. On the basis of the conducted analysis of different approaches to assess the energy consumption, the environment, and ensuring consumer properties of the casting of cylinder bushings in their manufacture centrifugally we propose a technology that allows to regulate the conditions of crystallization of castings. For justifying the parameters of formation of homogeneous properties by the bushing height we used the method of mathematical description of the effect of heating the metal mold with different sections of its wall while minimizing the stress level. It has been shown that it can be most effectively achieved by electric current heating during cyclic mode of inductor operation periodically disconnecting it. Thus, the total heating time is 4.2 hr., while disconnection is for 1.2 hours, and the number of cycles should be at least three.
Keywords: energy saving; ecological improvement; casting; cylinder bushing; heating of the metal mold; molding.
Skoblo T.S., Professor, Ph.D. (Technical Sciences), Sidashenko A.I., Professor, Ph.D. (Technical Sciences), Saychuk A.V., Associate Professor,
Ph.D. (Technical Sciences), Rybalko I.N., Senior Lecturer, Ph.D. (Technical Sciences), kafrm @yandex. ru, Ukraine, Kharkov, Kharkov Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture
