184
построения сетки и привязки к ней информационного обеспечения. Большинство СКМ ЛП для описания геометрии отливки, формы и элементов литейной технологии используют современные САD-системы с возможностями объемного построения. К их числу относятся SolidWorks, SolidEdge, Unigraphics, Cimatron, КОМПАС 3Д и др. Эффективность при-
менения таких систем существенно повышается при одновременном использовании САМ-систем для изготовления оснастки. Основное требование к САD – системам – наличие общего с СКМ ЛП формата хранения геометрической модели (например, STL). Решатель осуществляет вычисления на построенной сетке. Постпроцессор визуализирует полученные результаты вычислений в удобной для пользователя форме (цветовое представление расчетных полей, анимация).
В качестве известных пакетов программного обеспечения СКМ ЛП можно привести: SolidCAST, Finitesolutions Inc., США; ПОЛИГОН, ЦНИИМ, г. Санкт-Петербург; LVMFlow, MKM Софт, г. Ижевск; ProCast, ESI Group, США; MAGMASOFT, MAGMAGmb, ФРГ и др.
Тема 7.4. Литейные напряжения в отливках
Усадочные деформации
Изменение размеров отливки при полном охлаждении по сравнению с теми, которые она имела после заполнения полости формы, называется усадочной деформацией. Усадочные деформации проявляются в форме линейной усадки и искривления осей отдельных элементов, или коробления.
При охлаждении отливки в форме при наличии выступов и полостей, оформленных стержнями, усадка реализуется не полностью, т.е. тормозится, что вызывает в отливке пластические деформации. Такая усадка
185
называется затрудненной, в отличие от свободной, происходящей в прямолинейных вытянутых элементах, изменению размеров которых при охлаждении ничего не препятствует.
В чистых цветных металлах, не имеющих полиморфных превращений, длина образца lт при температуре Т и при исходной длине l0 довольно точно описывается полиномом
lт = l0 (1 + аТ + вТ2 + сТ3), (7.34)
где а, в, с – коэффициенты, значения которых приведены в табл. 7.5.
Таблица 7.5
Значения коэффициентов в формуле (7.34)
Металл |
а 106 |
|
|
Алюминий |
20,2 |
|
|
Магний |
25,0 |
|
|
Медь |
16,7 |
|
|
Свинец |
26,3 |
|
|
в 109 |
с 1012 |
14,0 |
|
5,9 |
|
8,3 |
|
1,3 |
|
2,6 |
|
0,9 |
|
14,0 |
|
3,1 |
|
|
|
Предусадочное расширение
Предусадочное расширение является главной причиной снижения литейной усадки чугуна. Его величина зависит от податливости форм. В неподатливых металлических формах предусадочное расширение не проявляется. В малоподатливых сухих песчано-глинистых формах оно равно для обычного серого чугуна 0,05% и для высокопрочного – 0,15 %. Только в высокоподатливых сырых песчано-глинистых формах предусадочное расширение достигает максимального развития: в серых чугунах
–0,3 -0,6 %, в высокопрочных чугунах – 0,6-0,9 %.
Вобычных сталях оно находится в пределах 0,01 - 0,1 %. В легированных сталях предусадочное расширение может иметь ощутимое раз-
186
витие в связи с образованием карбидов, сопровождающимся увеличением объема. Например, в стали с содержанием 18 % хрома и 0,15 % углерода предусадочное расширение составляет 0,1 %, а при 1,0 % углерода достигает 0,6 %.
В цветных сплавах также проявляется предусадочное расширение. Оно связано с содержанием газов. Так, например, исходный сплав - доэвтектический силумин (Al + 5,0 % Si) имел предусадочное расширение около 0,1 %, при его продувке водородом оно возросло до 0,26 %, однако в случае выдержки после продувки в течение 25 мин сплав вернулся к исходной величине расширения. Повторная длительная продувка без последующей выдержки увеличила предусадочное расширение до 0,7%. Вакуумирование цветных сплавов делает предусадочное расширение ничтожно малым.
Литейные напряжения
Напряжения, возникающие в процессе охлаждения отливки в форме, называются литейными. Они могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Напряжения, развивающиеся в макрообъемах отливки, называются напряжениями 1-го рода. Напряжения в пределах одного кристалла называют напряжениями 2-го рода. Напряжения, возникающие в объемах элементарных кристаллических ячеек, называют напряжениями 3-го рода. Все эти напряжения взаимосвязаны между собой. Для отливок наибольшее значение имеют макронапряжения 1-го рода.
Напряжения, действующие в некоторый момент в отливке, называют временными. Если напряжения таковы, что вызывают только упругие деформации, то после охлаждения и выравнивания температур они полностью снимаются. Если в отливке при некотором распределении температур происходят пластические деформации, то после охлажде-
187
ния и выравнивания температур возникают остаточные напряжения обычно обратного знака по сравнению с теми временными, которые были при высоких температурах.
Остаточные напряжения в литой заготовке могут совпасть по знаку с рабочими напряжениями в конструкции от внешних нагрузок и вызвать ее разрушение. Кроме того, остаточные напряжения при длительном воздействии могут вызывать недопустимые для нормальной работы конструкции деформации (например, в деталях станков).
Временные напряжения в отливках делятся на усадочные, фазовые и термические.
Усадочные напряжения вызываются механическим торможением со стороны формы при высоких температурах. В отливках из железных сплавов от температур ниже солидуса до 700 0С они компенсируются пластическими деформациями. Ниже 700 0С ввиду возрастания упругости они начинают накапливаться и достигают максимума при температуре около 200 0С, т. е. перед выбивкой. После извлечения отливки из формы они обычно снимаются. Особенно большое развитие усадочные напряжения получают при литье в металлические формы.
Для усадочных напряжений в бруске с фланцами можно написать
σ = αт Е (Т0 – Т), |
(7.35) |
где Т0 – исходная температура; Т – температура, до которой брусок охладился.
Величины αт и Е можно принимать как средние значения коэффициента усадки и модуля упругости в интервале Т0 – Т.
Если считать, что пластическая деформация и податливость формы оцениваются относительной величиной L/L (где L – длина бруска), то
σ = E |
α |
(T −T )− |
L |
(7.36) |
|
|
|
T |
0 |
. |
|
|
|
|
|
L |
|
188
Если принять для стали α = 12 10-6, Е = 2 106 кгс/см2 и Т0 – Т = 700 0С,
то при L = 0 получим для напряжения довольно большую величину
σ=168 кг/мм2 (~ 1680 МПа).
Если деформация L составит хотя бы 0,5 % или 0,05, то напряжение снизится до 68 кг/мм2 (~ 680 МПа).
Фазовые напряжения вызываются выделением или исчезновением различных фаз или структурных составляющих при охлаждении отливки, имеющих удельный объем, отличный от матрицы. Так, в черных сплавах распад аустенита с образованием перлита происходит с увеличением удельного объема (~ 1%). Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема на несколько процентов. Выделение графита в чугунных отливках приводит к существенному возрастанию удельного объема.
При различных скоростях охлаждения в различных частях отливок фазовые превращения протекают в разное время. Поверхностные слои, тонкие стенки отливок раньше достигают критических температур чем сердцевина, толстые сечения отливок. Это и вызывает фазовые напряжения в отливке в целом.
Термические (температурные) напряжения вызываются различной скоростью охлаждения и неравномерным протеканием усадочных процессов в различных частях отливки. Эти напряжения обычно имеют наибольшую величину.
Термическое торможение усадки возникает в результате взаимных деформаций при неравномерном охлаждении различных частей отливки сложной конфигурации. Массивные и тонкие части отливки затвердевают не одновременно и охлаждаются с различной скоростью, в результате чего между ними возникают перепады температур, величина которых
189
сначала возрастает, достигает максимума, а затем снижается до нуля при полном охлаждении отливки.
Анализ процесса возникновения термических напряжений показал, что остаточные напряжения не зависят от размеров отливки и пропорциональны различию сечений элементов отливки. При этом в толстых сечениях развиваются растягивающие напряжения, в тонких – сжимающие.
Радикальное устранение внутренних остаточных напряжений достигается при создании равностенных конструкций или при охлаждении всех частей отливки с одинаковыми скоростями.
При выбивке отливок резко возрастает различие скоростей охлаждения частей отливок неодинакового сечения, а следовательно, возрастают внутренние напряжения. В качестве примера можно привести величины напряжений, достигающиеся во втулках из ковкого чугуна при различных температурах выбивки (табл. 7.6).
Наиболее действенной мерой устранения остаточных напряжений является отжиг отливок.
Для его осуществления необходимо нагреть отливку до температур, при которых металл приобретает достаточно высокую пластичность, выдержать ее до тех пор, пока напряжения не снизятся до допустимой величины, и медленно охладить отливку, чтобы не вызвать новых напряжений.
Таблица 7.6
Зависимость остаточных напряжений от температуры выбивки
|
|
300 |
|
Температура выбивки, 0С |
500 |
20 |
|
Напряжения, кг/мм2: |
|
|
|
сжимающие |
5,0 |
2,5 |
1,0 |
растягивающие |
8,0 |
4,5 |
1,0 |
|
|
|
|
190
Для большинства сталей и чугунов температура, при которой пластические напряжения переходят в упругие, лежит около Ту = 620…650 0С. Из табл. 7.7 следует, что при выдержке отливок из среднеуглеродистой стали в течение 6 часов при увеличении температур отжига степень снятия остаточных напряжений резко возрастает.
Таблица 7.7
Зависимость степени снятия напряжений от температуры термообработки
Температура обработки, 0С |
200 |
400 |
500 |
550 |
600 |
|
|
|
|
|
|
Снятие напряжений, % |
2…3 |
20 |
50 |
70 |
95 |
|
|
|
|
|
|
При постоянной температуре уменьшение остаточных напряжений идет с замедлением. Чем выше температура отжига, тем быстрее и полнее уменьшаются остаточные напряжения. Углеродистые стали обычно отжигают при 5500-6800С, серый чугун – при 4300-6000С, алюминиевые сплавы - при 2300-3700С, магниевые – при 1500-2600С.
Коробление отливок
Коробление отливок возникает в результате неравномерного охлаждения и усадки их элементов, переходящей в пластические деформации.
Неравномерность охлаждения вызывается неодинаковыми размерами сечений или различными условиями теплоотвода от элементов отливки, образующих единую связанную систему.
В качестве основных мероприятий по предотвращению коробления отливок используются следующие:
191
-создание конструкций отливок с одинаковой толщиной всех ее связанных элементов, обеспечивающей равную скорость их охлаждения;
-применение ребер жесткости, препятствующих короблению;
-ускоренное охлаждение массивных частей отливки при помощи холодильников или иными методами.
Вопросы для самоконтроля знаний
1.Какова физическая природа усадочных явлений?
2.Что такое усадочная раковина? Каковы причины ее возникновения?
3.Перечислите технологические факторы, влияющие на процессы усадки.
4.Приведите принципы проектирования прибылей.
5.Опишите основные пути регулирования работы прибылей.
6.Приведите классификацию усадочной пористости.
7.Каковы причины возникновения усадочной пористости?
8.Приведите меры борьбы с усадочной пористостью.
9.Каковы причины возникновения горячих трещин?
10.Опишите технологические пробы для оценки склонности сплавов к образованию горячих трещин.
11.Чем вызвана усадочная деформация?
12.Чем вызвано усадочное расширение?
13.Что такое фазовые, термические и остаточные напряжения?
14.Чем вызвано коробление отливок?