книги из ГПНТБ / Коцюбинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок

При достижении в процессе дальнейшего охлаждения от­ ливки точки А (рис. 109) регулирующий прибор выключит

принудительное охлаждение массивного участка. Однако мгно­ венного изменения скорости охлаждения этого участка отливки не произойдет. Сначала должна прогреться установленная около него в форме охладительная арматура и только после этого скорость охлаждения рассматриваемого участка отливки резко уменьшится. Максимальное отклонение температуры мас­ сивного участка отливки от теоретически необходимой, вызван­ ное инерцией охладительной системы при выключении прину­ дительного охлаждения, будет равно Д/0т (см. рис. 109).

Аналогичный процесс происходит после включения регули­ рующим прибором принудительного охлаждения в точке В

(рис. 109). Сначала должно пройти некоторое время, в течение которого происходит снижение температуры элементов охлади­ тельной арматуры, а уже потом ускоряется и охлаждение мас­

определенную инерцию, приводящую к отклонению фактическо­ го режима охлаждения отливки от теоретически необходимого.

Максимальные значения величин At„, А(0т и Atm{ зависят от

соотношения толщин массивных участков и тонких стенок от­

ния элементов охладительной арматуры. Кроме того, величины Д/вк и Д/от зависят от температуры участка отливки, при кото­ рой происходит включение или отключение принудительного его охлаждения. Так как в процессе регулирования охлаждения конкретной отливки включение и выключение принудительного охлаждения может происходить в любой момент времени, то при анализе различных охладительных систем необходимо рассматривать худшие случаи, когда величины Д/вк и Д/от полу­ чаются наибольшими.

При переходе металла отливки из пластичного состояния в упругое всякое отклонение ее температуры от теоретически необходимой приводит к возникновению остаточных напряже­ ний. Поэтому для получения отливок с минимальными оста­ точными напряжениями необходимо ограничивать величину любого отклонения температуры от теоретической.- Предельную величину такого отклонения, которая еще может быть допу­ щена, так как создает в отливке сравнительно небольшие остаточные напряжения, обозначим через Atm■Тогда параметры

охладительной системы следует выбирать таким образом, чтобы абсолютная величина всех возможных отклонений температуры

260

отливки (Д*п, Д/от и Д/вк) в зоне перехода ее металла из пла­ стичного состояния в упругое была гарантированно мень­ ше Д/т .

Величина Д/,„, вызывающая заданные остаточные напря­ жения, зависит от конструкции отливки, ее материала, а также от температуры отливки, при которой возникло отклонение от теоретически необходимого режима ее охлаждения. Учитывать все эти факторы для каждой конкретной отливки практически невозможно. Кроме того, в условиях мелкосерийного производ­ ства одна и та же охладительная система используется для изготовления самых разнообразных отливок, и невозможно каждый раз ее изменять применительно к допустимой величине Аіт конкретной отливки. В подобных условиях необходимо

иметь достаточно мощную охладительную систему, обладаю­ щую к тому же небольшой тепловой инерцией.

Для регулирования охлаждения чугунных отливок наиболь­ шее распространение получили системы, основанные на продувке сжатым воздухом каналов металлической арматуры, установленной в форме около массивных участков отливки. Анализ подобных систем показал, что для них величина макси­ мально допустимого отклонения температуры может быть принята равной Atm — 30° С. При таком значении Atm остаточ­

ные напряжения в отливке, возникшие из-за несовершенства охладительной системы, практически не превысят 10—30 МН/м2, что является вполне допустимым.

Параметры охладительной системы, при которых отливку можно охлаждать в форме с отклонениями от теоретически заданного режима в пределах принятой величины Діт, опреде­

зон, в пределах которых сочетание основных параметров охла­ дительной системы позволяет для данной отливки обеспечить условие At ^ Д ^ . Под величиной At здесь понимается любое из перечисленных выше возможных отклонений, а именно ДtUr AtBKили Д*ох.

На рис. 115 изображены три зоны допустимых соотношений Я/Л и L/Я, при которых охладительная система способна обе­ спечить выполнение неравенства At ^ 30° С. Каждая зона по­

строена для определенной величины коэффициента теплоотдачи ап от охладительной арматуры к продуваемому через нее сжа­

1 Расчет выполнен Г. Д. Ситниковым.

261

Величина Д/0т во всех случаях оказалась меньше принятого значения Atm-

Как следует из рис. 115, применение слишком массивной

охладительной арматуры с — > 1 недопустимо. В то же время

очень тонкостенная арматура уменьшает возможность регули­ рования охлаждения отливок с большими значениями Н/іг по

желаемому закону. Значительное влияние на положение границ,

более легкой охладительной арматурой, с меньшей величиной — .

Н

Так как величины возможных отклонений At были рассчита­

ны приближенно, то и границы зон на рис. 115 являются прибли­ женными. Здесь важен описанный методический подход к вы­ бору параметров охладительной системы.

Следует учитывать, что обеспечить высокие значения <хв при охлаждении отливок сжатым воздухом достаточно трудно, так как при сравнительно небольшом избыточном давлении требует­ ся получить большую скорость течения воздуха в охладительном канале.

Необходимость использования сравнительно небольшого избыточного давления воздуха в охладительных системах, обеспечивающих принудительное охлаждение отливок в форме, объясняется прежде всего тем, что каналы монтируются из боль­ шого числа отдельных элементов, стыки между которыми хорошо уплотнить трудно. Чем больше используемое избыточное

262

чаются значительно меньше расчетных. Обычно стремятся,

ской вязкости воздуха; d3— эквивалентный диаметр охладитель­

Рис. 116. Зависимость коэффициента теплоотдачи (а) воздушно­ му потоку и необходимого напора воздуха (б) от скорости потока

воздуха по каналу. Кривые / и 2 построены для температуры воздуха 20° С, а кривая 3 — для 100° С. Кроме того, при расчете

2 6 3

Как следует из этих кривых, увеличение температуры ох­ лаждающего воздуха снижает ссв. Уменьшение же диаметра охладительного канала повышает ав.

Для более интенсивного отвода теплоты от охладительной арматуры выгодно иметь в ней большое число каналов сравни­ тельно небольшого диаметра. В этом случае обеспечивается большая площадь поверхности каналов, через которую проис­ ходит теплоотдача от арматуры к охлаждающему воздуху, и достаточно высокий коэффициент теплоотдачи. Однако уменьшение диаметра каналов повышает сопротивление проте­ кающему воздуху и при заданном его избыточном давлении приводит к уменьшению скорости потока ш, а следовательно, и к уменьшению величины ав.

Избыточное давление Аріи необходимое для течения потока

воздуха по каналам охладительной системы с заданной скоро­ стью до, определяется по формуле

потери на местные сопротивления. Величина дог соответствует скорости воздушного потока непосредственно за r-м местным сопротивлением; / — длина охладительного канала; Кс и £г — ко­

подобных колена (на подводящей и отводящей трубе) приведены на рис. 117,6. Результаты расчетов представлены в виде кривых на рис. 116,6. Сплошные кривые соответствуют случаю, когда площадь поперечного сечения подводящих и отводящих труб равна площади поперечного сечения всех каналов охладитель­ ной системы. Штриховые кривые соответствуют случаю, когда площадь поперечного сечения подводящих и отводящих труб; в 2 раза больше, чем у всех охладительных каналов. Кривые 1

значительно увеличивается сопротивление потоку воздуха. В то

264

же время изменение диаметра с 80 до 120 мм (кривые 2 и 3)

мало сказывается на величине сопротивления потоку. Значительную долю в общем сопротивлении воздушному

потоку составляют местные сопротивления в подводящих и отво­ дящих трубах. Обычно это колена труб для изменения направ­ ления потока воздуха, чаше всего на 90°, но могут быть и другие местные сопротивления (расширение или сужение труб и т. п.). При конструировании охладительных систем необходимо сво­ дить до минимума число имеющихся в них местных сопротив­ лений. Кроме того, оставшиеся местные сопротивления должны быть по возможности уменьшены. В подводящих и отводящих трубах, где местных сопротивлений больше всего, их влияние можно уменьшить путем снижения скорости потока. Для этого площадь поперечного сечения подводящих и отводящих труб должна быть больше суммарной площади всех охладительных

шение сопротивления охладительной системы в смысле увели­ чения скорости воздушного потока ш в охладительных каналах, на рис. 116,6 проведена штрихпунктирная линия, соответ­ ствующая давлению 1600 мм вод. ст., создаваемому стандартной воздуходувкой низкого давления при любом режиме ее работы. При этом для d3 = 120 мм уменьшение местных сопротивлений

в подводящих и отводящих трубах (штриховые кривые) обеспе­ чивает прирост скорости воздушного потока в охладительных каналах на 50%, а коэффициента теплоотдачи ав на 37%.

Если вместо воздуходувки использовать вентилятор высокого давления, создающий напор только 600 мм вод. ст., то это значи­

ав на 32%.

Правда, в некоторых случаях для регулирования охлаждения отливок может оказаться достаточным сравнительно небольшой коэффициент ап (см. рис. 115). Но в условиях серийного произ­ водства при разнообразной номенклатуре отливок целесообраз­ но иметь установку, которая позволяла бы осуществлять регу­ лирование охлаждения любых отливок. Поэтому всегда жела­ тельно использовать воздуходувки низкого давления с номиналь­ ным напором 1700 мм вод. ст.

При выборе модели воздуходувки или вентилятора важно учитывать, что номинальный напор они развивают только в слу­

265

чае, когда фактически обеспечиваемый ими расход воздуха больше необходимого, определяемого из произведения заданной скорости до на суммарную площадь поперечного сечения охла­ дительных каналов 2Èок. Если суммарная площадь охладитель­ ных каналов окажется слишком большой, скорость в них будет меньше необходимой величины до, так как определяться она будет уже максимально возможным расходом данной воздухо­ дувки или вентилятора, а не их номинальным напором.

Иногда для повышения интенсивности принудительного охлаждения отливок используют воздушно-водяную смесь. Для этого в поток сжатого воздуха впрыскивают мелко распылен­ ную воду. Такая смесь обеспечивает более интенсивное охлажде­

лужи, которые продолжают охлаждать установленную в форме арматуру, а следовательно, и отливку даже при выключенном потоке воздуха, увеличивая тепловую инерцию охладительной системы в момент ее выключения. Уменьшить возможность осаждения воды в каналах можно путем более мелкого и более равномерного ее распыления, создавая тем самым водяной туман, а также устранением в охладительном канале застойных зон, где в первую очередь и создаются лужи воды.

Другим способом интенсификации принудительного охлажде­ ния отливок является подача воды не в каналы, а непосредствен­ но к участкам песчаной формы, расположенным около массив­ ных частей отливки. Значительным преимуществом этого способа является создаваемый им большой захолаживающий эффект и малая инерционность охладительной системы при ее включении. К недостаткам следует отнести трудность создания локального охлаждения массивных участков отливки без захолаживания при этом соседних участков ее тонких стенок, а так­ же очень большую тепловую инерцию охладительной системы при выключении. Для интенсивного охлаждения отливки к ее массивным участкам приходится подавать значительное коли­ чество воды, которая увлажняет большие объемы песчаной формы. Поэтому, даже после прекращения подачи воды тре­ буется весьма продолжительное время для нагрева и испарения массы воды, уже имеющейся в форме.

Использование воды позволяет значительно интенсифициро­ вать принудительное охлаждение отливок. Однако необходимо разработать систему ее подвода к массивным участкам отливок, которая обеспечила бы минимальную тепловую инерцию при включении и выключении принудительного охлаждения, а также локальное захолаживающее действие только на массивные участки отливок. Кроме того, охладительная система, исполь­ зующая воду, должна быть абсолютно безопасной в условиях эксплуатации и полностью исключать возможность взрывов от

266

разложения воды при соприкосновении с расплавленным металлом.

Все рассмотренные здесь преимущества и недостатки отно­ сятся к особенностям различных охладительных систем и харак­ теризуют их способность осуществлять требуемый режим

Поперечное сечение отливки в форме с установленными око­ ло ее массивных участков пустотелыми холодильниками, через которые пропускался сжатый воздух, показано на рис. 117, а. Там же указаны места установки семи (1—7) регулирующих

термопар. На рис. 117,6 показан продольный разрез этой отлив­ ки по одному из охладительных каналов. Для создания необхо­ димоймассы охладительной арматуры между пустотелыми хо­ лодильниками и отливкой устанавливали плоские чугунные хо­ лодильники. Одновременно плоские холодильники обеспечивали надежное предохранение пустотелых холодильников от возмож­ ности попадания в них жидкого металла при заливке формы. Плоские холодильники устанавливали так, чтобы места их сты­ ков не совпадали со стыками пустотелых холодильников.

Регулирование охлаждения производили с помощью установ­ ленных в отливке семи термопар. Восьмую термопару не уста­

267

охладительной системы

268

регулировании же более быстро охлаждающихся участков отлив­ ки с термопарами / и 3 в качестве базовой в одной из групп использовали термопару 2 для предотвращения возможности

образования значительного температурного перепада между участками отливки, в которых установлены термопары 1, 2 и 3.

Регулирование производилось при охлаждении отливки в форме, изготовленной из обычной песчано-глинистой смеси со стержнями из жидкоподвижной самотвердеющей смеси (ЖСС).

Рис. 118, Зоны температуры в отлнвке станины при ее охлаждении в обычной песчаной форме (/) и при использовании регулируемого принудительного охлаждения (//)

Стержни из ЖСС значительно замедляют процесс охлаждения отливки в форме. Так, например, в форме, изготовленной пол­ ностью из ЖСС, отливка охлаждается примерно в 2 раза медленнее, чем в форме из обычной песчано-глинистой смеси. В то же время использование принудительного воздушного охлаждения отливки в форме со стержнями из ЖСС и его регу­ лирование по заданному закону обеспечило в 1,6 раза более быстрое охлаждение до температуры выбивки (380° С) даже по сравнению с ее охлаждением в форме, полностью изготовленной из обычной песчано-глинистой смеси. Это видно из рис. 118, где заштрихованная зона / соответствует температурному полю отливки станины горизонтально-расточного станка модели 2А635 при ее охлаждении в форме из обычной песчано-глинистой смеси без принудительного охлаждения. Зона II соответствует темпе­

ратурному полю этой же отливки при ее охлаждении в форме со стержнями из ЖСС и наличии регулируемого принудительного охлаждения.

Характерно, что регулирование принудительного охлаждения с использованием разработанного прибора (см. рис. 113) обе­

269