CC BY
7
Артамонов Валерий Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор, v.d.art@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE DEVELOPMENT DIRECTIONS OF GEAR CUTTING OF CYLINDRICAL GEARS BY THE
RUN-IN METHOD
G.V. Malahov, K.A. Sudina, V.D. Artamonov
The analysis of methods ofpreliminary gear cutting and finishing gearing of cylindrical gears is carried out. The advantages of worm gear milling are considered. The description of the designs of modern worm cutters is given. The possibility of performing the operation of gear cutting of cylindrical gears on turning-milling machining centers is analyzed. The method of gear chiseling by the run-in method and the method of whirl milling are considered. The area of their effective application is substantiated. Peculiarities of gear cutting by gear grinding are considered. The designs of HORN cup-shaped rolling cutters for the implementation of gear cutting by the gear turning method are presented.
Key words: spur gear, run-in method, worm gear milling, gear chiselling, gear turning, indexable carbide plate.
Malahov Gennadiy Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, malahovgv_tms@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sudina Kristinay Alekseevna, student, tppizi@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Artamonov Valeriy Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, v.d.art@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 669.14: 621.746
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-14-17
ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗЛИВКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТАЛЬНОГО СЛИТКА
А.И. Вальтер
Приводится описание движения струи расплавленного металла при его заполнении изложницы. Показаны особенности турбулентного движения жидкого расплава с образованием каверн и их влияния на процесс кристаллизации, что динамические характеристики струи зависят от типа насадки и величины и характера возмущений, действующих на свободную поверхность струи на участке от торца насадки до поверхности жидкости в изложнице
Ключевые слова: расплав стали, изложница, движение жидкой струи, кавитация, динамические характеристики струи, форма разливочной насадки.
В связи с развитием новой техники непрерывно повышаются требования, предъявляемые к объему и качеству стальных слитков. Результаты исследования условий формирования литой структуры позволили создать ряд рациональных режимов литья, однако не всегда они обеспечивают получение требуемых свойств. Это связано с тем, что необходимо дополнительно исследовать микрометаллургические процессы, развивающиеся у самого фронта затвердевания. Кроме того, недостаточно изучены вопросы распределения теплоты кристаллизации и тепла перегрева на границе затвердевания и в зоне двухфазного состояния, влияния динамики этого распределения на перераспределение включений и растворимых примесей в процессе конвективного перемещения жидкого расплава и кристаллизации стали.
Поле скоростей и количество захватываемого струей и переносимого в изложницу воздуха зависит от динамических характеристик струи, которые в свою очередь зависят от типа насадки и величины и характера возмущений, действующих на свободную поверхность струи на участке от торца насадки до поверхности жидкости в изложнице. Поэтому при изучении полей скоростей необходимо фиксировать и динамические характеристики струи.
Результаты моделирования условий распространения затопленных струй показали, что в зависимости от формы стакана образуются струи, способствующие захвату воздуха, и струи без захвата воздуха. При этом они создают и разные по характеру поля скоростей в изложнице.
Насадки первой группы создают струю со свободной поверхностью волнового характера. Цилиндрическая часть стакана возмущает свободную поверхность струи при ее падении в изложницу. С увеличением длины насадки за счет цилиндрической части создаются условия для возникновения турбулентного пограничного слоя внутри насадки, которая в дальнейшем сохраняется на свободной поверхности струи, что и объясняет образование волнового движения. Если насадка имеет расширяющуюся часть, возмущения увеличиваются и создаются условия для возникновения кавитации.
Общая или местная кавитация возникает при определенных условиях. Например, повышение скорости и соответствующее снижение давления ведут к тому, что объем пузырьков воздуха, имеющихся в жидкости, быстро увеличивается и при достаточно глубоком развитии кавитации образуются крупные кавитационные каверны.
Наличие кавитационных каверн в движущейся жидкости может привести к разрушению стенок, а в жидких затвердевающих металлах — к разрушению корочки слитка. Это происходит, когда каверны при движении попадают в область повышенного давления, рост их прекращается и начинается так называемое «захлопывание полостей». Процесс этот быстротечен и на его заключительном этапе развивается высокое давление, что и приводит к разрушению стенки изложницы или насадки, расположенной вблизи захлопывающихся каверн.
Кавитационное разрушение происходит под действием прямого удара струй о «преграду» жидкости. При этом пузырек газа продавливается на небольшом участке и образует струйку, движущуюся с большой скоростью.
Таким образом, один из факторов, обусловливающих появление кавитации при движении жидкого металла, является наличие в расплаве газов. Наличие в жидкости посторонних частиц в виде включений в жидкой стали способствует возникновению кавитации из-за наличия в них трещин. В этом случае силы сцепления между жидкостью и частичкой меньше, чем между молекулами самой жидкости. Поэтому на отрыв этой частички и образование каверны нужно меньше энергии, чем на образование такой же полости в объеме жидкости. Кроме того, технология изготовления слитков не исключает наличия в них различного вида трещин.
Кавитация, как уже отмечалось, характеризуется параметром, который можно записать в следующем виде:
где N — критическое число кавитации, равное, 0,4—0,5 [1]; Рсп — абсолютное давление в свободном потоке; Рк — давление в потоке, при котором возникает кавитация; уо — скорость свободного потока; р -плотность потока.
Здесь Рсп — Рк — понижение давления на данной стадии кавитации, вызванное соответствующими силами (центробежными, вихревыми, турбулентными, гидроупругими и другими перемещениями жидкости).
Основные причины возникновения кавитации в насадках, способствующих захвату воздуха струей жидкого металла при попадании ее в изложницу, следующие:
- насадки с малым углом конусности создают непрозрачные струи, особенно при больших напорах. Непрозрачность струи, объясняется заполнением ее пузырьками воздуха, поэтому в этих насадках появляются зоны возникновения кавитации.
При разливке металла сверху применяется система, состоящая из трех элементов: ковш, стакан и изложница. При сифонной разливке в эту систему добавляется четвертый элемент — подвод жидкого металла в изложницу через донную часть. Такой подвод осуществляется через два колена сифонных проводок и второй насадка — концевого кирпича, вставляемого в нижней части изложницы.
При верхней разливке между насадкой и изложницей нет промежуточного элемента, способствующего созданию кавитационных явлений, исключая участок свободной струи. При нижней - таких элементов несколько.
Как при сифонной разливке, так и при разливке сверху на всех этапах заполнения изложницы возникают мощные вихревые системы. На рис. 1 приведена схема таких систем.
Появление вихревых колец на внешней поверхности струи вызывается флуктуацией давлений у среза насадки или в самой насадке. Флуктуации давлений в насадке могут вызываться местными зонами срыва на внутренней поверхности насадки.
При разливке стали, начиная от входа металла в стакан и заканчивая наполнением изложниц, распространение затопленной струи сопровождается возникновением мощных вихревых потоков.
Вихревые кольца образующиеся на внешней поверхности струи в пограничном слое разливочного стакана затем переносятся вниз вместе со струей и образуют в затопленном пространстве вихревые потоки, которые движутся поступательно вниз.
Пульсирующее давление вызывает образование вихревого кольца, которое вращается со скоростью 800 - 1200 об/с [2]. При таких скоростях в движущейся жидкости возникает кавитация с образованием кавитационных каверн. Когда каверна попадает в область повышенного давления, происходит схлопывание полостей. Ударная волна воспринимается близлежащими твердыми поверхностями (корочкой) и разрушается.
Рис.1. Схемы разливки стали: а - через промежуточный ковш: 1 - сталеразливочный ковш;
2 - промежуточный ковш; 3 - изложницы; б - сифонная разливка: 1 - воронка; 2 - центровая изложница; 3 - шамотные трубки; 4 - звездочка; 5 - поддон; 6 - груз - «башмак»; 7 - сифонная пролетная трубка; 8 - шамотный стаканчик; 9 - изложница; 10 - прибыльная надставка
Ударяясь своими границами о преграду, такая каверна вызывает разрушение материала. Кави-тационные полости могут возникать и на неровностях фронта кристаллизации. Из теории кавитации известно, что окружающая среда оказывает сопротивление вращению вихрей и вызывает их затухание. Наибольшая угловая скорость получается у оси вихря, а на его поверхности, где он соприкасается с окружающей неподвижной средой, скорость вращения близка нулю.
При исследовании процессов формирования кольцевых вихрей установлено, что рассечение торообразного вихря на части в поверхностном слое струи способствует исчезновению дисков и получению более жесткой струи. Учет этой особенности привело к созданию стакана со специальными ребрами на внутренней поверхности (рис. 2) [3].
а 6 в г д
Рис.2. Конструкции разливочных стаканов
Каналы в стаканчиках, вставляемых в дно изложницы, при разливке спокойной стали, бывают разной формы. На (рис. 2) показаны конструкции стаканов, которые применяются для этого способа разливки. Цилиндрическими стаканами (рис. 2, а) пользуются при разливке стали, не расположенной к образованию трещин. Диффузорные стаканы (рис. 2, б) применяются при разливке стали, особо склонной к образованию рванин и трещин. Овальные и щелевидные стаканы (рис. 2, в, г) рационально применять при отливке листовых слитков, а для отливки слитков цилиндрической или многогранной формы применяют иногда диффузорные круглые стаканы с тангенциальным подводом струи металла в изложницу (рис. 2, д).
Стакан указанной формы обеспечивает получение более жесткой струи и снижение угла расходимости потоков в затопленном пространстве.
Приведенные примеры показывают, что выбор профиля струи, формы стакана и рациональной организации истечения металла весьма существенно влияет не только на процесс захвата окружающего воздуха, но и на формирование наружной корочки слитка и возникающих в ней дефектов.
Список литературы
1. Теплофизические физико-химические процессы в сплавах на основе железа / Вальтер А.И. и др.; под общ. ред. Вальтера А.И. М.: Вологда: Инфра-Инженерия, 2020. 256 с.
2. Власов Н.Н., Корроль В.В., Радя В.С. Разливка черных металлов. М.: Металлургия, 1987.
272 с.
3. Сахнов Б.И., Строганов Б.Ф. Разливка стали в изложницы «утопленной» струей. М.: Металлург, №9, 2011. С. 56-58.
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, профессор, valter.alek@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF HYDRODYNAMIC CASTING CONDITIONS ON THE FORMATION OF STEEL INGOT
A.I. Valter
A description of the motion of a jet of molten metal during its filling of the mold is given. The features of the turbulent motion of the liquid melt with the formation of cavities and their influence on the crystallization process are shown, that the dynamic characteristics of the jet depend on the type of nozzle and the magnitude and nature of disturbances acting on the free surface of the jet in the area from the nozzle end to the surface of the liquid in the mold
Key words: steel melt, mold, liquid jet movement, cavitation, dynamic characteristics of the jet, shape of the filling nozzle.
Valter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, valter.alek@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.74.045
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-17-26
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НАПОРНОГО АККУМУЛЯТОРА ГИДРОМОЛОТА ТЕХНОЛОГИЕЙ
АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Д.А. Гневашев, Р.С. Белов
Статья посвящена исследованию свойств фотополимерных материалов и рекомендациям к применению при 3D-печати корпусных деталей напорного аккумулятора гидромолота с использованием LСD-технологии (Liquid Crystal Display, фотополимеризация с помощью ЖК-дисплея). В работе представлены исследования свойств инженерных фотополимерных смол HARZ Labs Industrial Nylon-like и HARZ Labs Industrial ABS. Работа показывает, что при выборе фотополимера для аддитивного производства можно успешно использовать для изготовления сложных деталей, что приводет к быстрому производству, высокой точности и даже более низким затратам по сравнению с традиционными технологиями.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, технология LCD, свойства материала, фотополимерные материалы - HARZ Labs Industrial Nylon-like, HARZ Labs Industrial ABS.
Аддитивные технологии (АТ) привлекают все большее внимание не только любителей цифровых современных технологий, но и исследователей, и промышленных производителей изделий из области машиностроения, благодаря возможности создания изделий сложной по геометрии формы, с заданными технологическими свойствами которую зачастую невозможно получить традиционными методами обработки [1-2].
В Московском политехническом университете на кафедре «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» на протяжении последних десяти лет, большое внимание уделяют области аддитивного производства - изучают возможность применения аддитивных технологий в изготовлении элементов штамповой оснастки [3], проводят исследования о возможности применять различные материалы как по исходному состоянию (жидком, порошковом, цельном), так и по химическому составу (полимеры, композиционные материалы, металлы и сплавы) [4]. При выборе АТ большое внимание уделяют характеристикам свойств материала из которых получают будущее изделие [5-6].
При использовании методов аддитивного производства для изготовленияпрототипов требуется наличие оборудования, позволяющего производить печать изделия, программного обеспечения, дающего возможность корректировки технологических параметров печати для подбора наиболее оптимального режима, а также правильно подобранный материал, который должен соответствовать всем необходимым свойствам изготавливаемой детали. В настоящее время большое значение уделяется изучению свойств полимерных материалов и изделий, полученных методами аддитивных технологий.
17
