Full Text

Для процесса изготовления тонкостенных фасонных изделий методом литья критичным является наличие в металле включений разного рода. К таким включениям относятся оксидные, которые образуются в процессе изготовления сплава и на этапе подготовки металла к разливке, а также другие включения, загрязняющие расплав вследствие нарушения технологической дисциплины (куски огнеупорной футеровки, включения других металлов и т.д.) [1-4]. В целях уменьшения процента брака изделий по причинам включений на предприятиях активно применяют пенокерамические фильтры [5, 6]. Данные фильтры представляют собой керамические вставки с открытой пористостью до 95 % [7, 8]. Структура пенокерамического фильтра (ПКФ) образована большим количеством запутанных каналов, при прохождении через которые металл многократно меняет направление своего течения [9, 10]. На рис. 1 приведена фотография поверхности ПКФ. Рис. 1. Поверхность пенокерамического фильтра В процессе очистки металла включения отделяются фильтрующей средой в соответствии с тремя различными механизмами [11-13]: - просеивание на поверхности ПКФ (частицы размером больше размера поры скапливаются на поверхности в виде наслоения); - застревание частицы в глубоком слое (размер частицы превышает диаметр внутреннего канала); - «прилипание» частицы на стенку фильтрующей среды. Для производства ПКФ часто используется метод дублирования полимерной матрицы. Согласно работам [7, 8, 11, 12], матрицей для производства ПКФ служит пористый пенополиуретан ППУ ОСТ 6-05-407-75 или ППУ-ЭО-100. Данный материал представляет собой эластичную ячеистую пластмассу с открытопористой сетчатой структурой. Реальные ячейки ППУ имеют форму эллипсоида, длинная ось которого ориентирована по направлению вспенивания ППУ, а отношение значений длины осей ячейки-эллипсоида составляет, как правило, (1:1)-(1:3). Для простоты описания геометрии ячейки используют правильный додекаэдр, в вершинах которого располагаются узлы, а ребра образованы перемычками. Структура ячейки ВПЯМ [13-15], полученного с помощью дублирования матрицы ППУ, имеет вид, представленный на рис. 2. Рис. 2. Ячейка ВПЯМ Однако использование описанных фильтров затрудняет процесс организации производства. Из-за запутанной внутренней структуры пенокерамических фильтров сложно оценить степень очистки металла, турбулентность потока и изменение температуры металла при прохождении фильтрующей среды. Для оценки фильтрующих и структурных свойств фильтра на предприятиях проводят натурный эксперимент. Создают стенд, имитирующий модель литниково-питающей системы и прототип фильтра с неупорядоченной структурой из воска. После сборки в такую модель подается подкрашенная вода для оценки турбулентности и скорости потока, проходящего через модель фильтра. Такой метод позволяет получить только общие визуальные параметры потока и не дает точных результатов. Для получения более объективных данных рекомендуется проводить моделирование с применением специализированных программных пакетов. Одной из таких программ является ProCAST [16, 17]. Моделирование в данной среде производится методом конечных элементов. Среда позволяет моделировать все варианты литейных технологий, включая свободное литье в формы, литье под низким и высоким давлением, литье по выплавляемым моделям [18-20]. Однако программный пакет не способен моделировать неупорядоченные структуры. Углы между Таблица 1 Параметры структуры № п/п Тип моделей Количество граней Количество ребер грани Относительный объем ячейки 1 Пентагондодекаэдр 12 5 0,66 2 Простая кубическая 8 4 0,52 3 Гранецентрированная кубическая 12 4 0,74 4 Тетракисдодекаэдр 14 5,1 0,68 гранями правильного додекаэдра таковы, что не гарантируют полного заполнения объема укладкой додекаэдров, и, следовательно, структура фильтра не может быть описана как комплекс послойно уложенных правильных двенадцатигранников. Для решения данной проблемы в работе производился расчет параметров структуры ячейки ВПЯМ (табл. 1) - среднего числа граней и ребер в грани, условного объема ячеек. Наиболее близкой к правильному додекаэдру является форма тетракисдодекаэдра [21] (рис. 3). Для моделирования ПКФ использованы структуры, собранные из массива тетракисдодекаэдров (рис. 4). Массивы, собранные из таких ячеек, имеют контролируемую внутреннюю структуру. В процессе моделирования возможно задать пористость, размер ячейки, толщину перемычки. Массив, собранный из тетракисдодекаэдров, пригоден для моделирования в специализированных программных пакетах [22]. В результате такого моделирования можно оценить скорость потока металла при заливке, турбулентность потока, риск эрозии формы [23-25]. С целью проведения модельных экспериментов, иллюстрирующих процесс заливки металла с помощью ПКФ, были приняты следующие параметры ячейки: - ячейка вписана в куб со сторонами 5 мм; - перемычки ячейки имеют квадратное сечение со сторонами 0,5 мм; - количество перемычек - 12; - толщина грани - 0,5 мм; - количество открытых граней - 8; - количество закрытых граней - 6. Полученная ячейка приведена на рис. 5. С помощью приведенной на рис. 5 ячейки построен массив (рис. 6), имеющий высоту 50 мм, ширину 50 мм, длину 20 мм, количество рядов 4×10×10, количество ячеек - 400 шт. Далее проектировалась литниковая питающая система (ЛПС). Принятые параметры при проектировании ЛПС следующие: - высота стояка - 130 мм; - диаметр стояка - 32 мм; - высота чаши - 32 мм; - диаметр чаши - 96 мм; Рис. 3. Тетракисдодекаэдр Рис. 4. Структура фильтра, собранная из массива тетракисдодекаэдров Рис. 5. Тетракисдодекаэдр, используемый при моделировании процесса заливки металла - сечение питателя - 32´32 мм; - длина литника от стояка до фильтра - 30 мм; - полость для установки фильтра - 26´56´50 мм; - угол расширения питателя к полости фильтра ≈140º; - длина питателя от полости фильтра до резервуара - 30 мм. На основе ЛПС (рис. 7) были построены специальные резервуары для заполнения металлом. Это необходимо для того, чтобы оценить скорость потока металла через фильтрующий компонент. Резервуар, связанный с чашей, необходим для отвода излишков металла (рис. 8). Габариты резервуара, являющегося моделью отливки: 800´300´550 мм. Габариты резервуара, установленного в связке с заливной чашей: 500´300´350 мм. Для заливки металла необходимо построить модель формы, для эксперимента были выбраны следующие размеры: 900´900´700 мм (рис. 9). Рис. 6. Модель фильтра Рис. 7. Габаритные параметры ЛПС с фильтром Условия заливки, выбранные для моделирования процесса: температура заливки - 750 °С, материал формы - песок. Результаты моделирования представлены на рис. 10-12. На рис. 10 показан начальный этап заливки формы с установленным фильтром. Происходит первичный контакт струи металла с фильтром. Скорость поступления металла в форму равна 2,13 м/с. Можно отметить, что при столкновении происходит разделение струи без образования завихрений в месте контакта. На рис. 11 показан процесс прохождения металла через тело фильтра. Можно отметить общее снижение скорости потока с 2,13 м/с на выходе из литникового канала до 0,21 м/с на выходе из тела фильтрующего элемента. Поток двигается преимущественно через нижнюю часть фильтра. Снижение скорости является следствием многократных локальных изменений направления векторов Рис. 8. ЛПС и резервуары Рис. 9. Форма Рис. 10. Начальный момент заливки формы Рис. 11. Прохождение потока металла через фильтр Рис. 12. Образование завихрений металла перед фильтром движения, а также столкновения отдельных потоков при прохождении через ячейки. На рис. 12 показана зона образования завихрений перед фильтром. Причиной завихрений является отброс металла от стенки из-за высокого гидравлического сопротивления фильтра. Выводы Описаны материалы матриц, которые используются при производстве высокопористных ячеистых материалов. Рассмотрена структура ячейки ПКФ, изготовленного методом дублирования полимерной матрицы. Приведены результаты расчета параметров структуры ячейки ВПЯМ и графическое представление ПКФ как массива ячеек тетракисдодекаэдра. С помощью программного пакета ProCast проведено моделирование процесса заливки металла в форму с применением в качестве фильтрующего элемента массива ячеек тетракисдодекаэдра. По результатам моделирования можно сделать вывод, что предложенная модель фильтра обеспечивает снижение скорости потока металла с 2,13 до 0,21 м/с, в результате чего будет происходить равномерное наполнение формы с уменьшением риска ее эрозии. Очистка от неметаллических включений будет происходить на поверхности и в теле фильтра.

About the authors

I. S Bezdenezhnykh

Perm National Research Polytechnic University

E. V Matygullina

Perm National Research Polytechnic University

A. A Shumkov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 87

PDF (Russian) - 53

Refbacks

• There are currently no refbacks.