Количество переданной теплоты. Количество теплоты, теряемой отливкой в течение различных стадий процесса, подсчитывается по выведенным ранее формулам. Количество теплоты, аккумулированной кокилем и переданной в окружающую среду, определяется следующим образом. Находится превышение средней температуры кокиля над уровнем ЬмачЭта разность температур определяет количество аккумулированной теплоты. Количество теплоты, потерянной в окружающую среду, находится как разность между количеством теплоты, потерянной отливкой, и количеством теплоты, аккумулированной кокилем.
10.6.3. Двухслойная форма
Постановка задачи. Форма является двухслойной, если толщина Xиз вещества, заполняющего зазор между отливкой и формой (или опокой),
соизмерима с толщиной Х\ отливки [ %i U .
При этом термоаккумулирующей способностью неметаллической прослойки пренебречь нельзя. Отливку и форму приходится рассматривать как многослойное тело. В результате задача чрезвычайно сильно усложняется.
Для решения поставленной задачи используется очень простой расчетный прием, позволяющий свести двухслойную форму к массивному кокилю. Этот прием позволяет успешно решать некоторые задачи, возникающие перед литейщиками-технологами. При этом важно иметь представление о роли толщины неметаллической прослойки (в дальнейшем эту толщину обозначим через Jfnp).
На рис. 10.53 изображена схема охлаждения отливки в двухслойной форме (несимметричная задача).
Рис. 10.53. С хем а охлаж дения отливки в двухслой ной ф орм е (несим метричная задача):
I - отливка; 2 - опока; 3 - прослойка; 4 - стерж ень
Внешняя поверхность отливки образуется формовочной или стержневой смесью, уплотненной в специальном жилете или просто в опоке, или в охлажденном кессоне (для тяжелых отливок). Внутренняя поверхность, как правило, оформляется песчано-глинистым сырым или сухим стержнем. Такой способ оформления форм широко применяется в литейных цехах.
Первоначальный период, в течение которого отливка охлаждается в двухслойной форме, как в неметаллической, ограничивается временем i проникновения тепла до металлической стенки опоки. В этот период в отливке происходит целый ряд изменений состояния металла. Эти изменения могут быть оценены по количеству отведенной теплоты.
Приняв параболический закон распределения температуры в сечении неметаллической прослойки, для количества теплоты, аккумулированной прослойкой, будем иметь, Дж:
£?икк ~ п + j ^2нам) ’
где п2- показатель степени в уравнении параболы; - удельный вес материала прослойки, кг/м3; С3 - ее удельная теплоемкость, Дж/(кг-К).
Прослойка рассматривается как плоская. Температура поверхности прослойки примерно берется равной ^кр-
Величина QaKK приравнивается тому количеству теплоты Q, которую теряет отливка.
Допустим, что желательно знать глубину X проникновения тепла в толщу прослойки к моменту г3 полного затвердевания отливки. Для простоты пренебрежем теплотой перегрева и аккумулированной теплотой, выделившейся в твердом металле отливки. Тогда
Q =F\X\ï\Pi
— = («,+ i)— |
fiEl— |
(10.206) |
|||
Для прикидочных расчетов примем п2 = 1. В результате формула (10.206) |
|||||
преобразуется к виду |
|
|
|
|
|
|
X - 2 |
У|Д |
(10.206') |
||
|
Х\ |
У3С3{(КР—/21,04 ) |
|
||
Для прослойки примем уъ - |
150Йсг/м3; С3 = 0,26 Дж/(кгК); ^1ШЧ.= 20 °С. |
||||
Тогда для стальной отливки из выражения (10.206') получим |
|||||
Х { |
|
|
. . , - w |
||
1500-0,26(1480-20)' |
|||||
для чугунной отливки |
|
7200-64 |
|
||
— = |
2 |
= 1,96; |
|||
|
|
||||
X , |
1500-0,26(1225-20) |
|
|||
для алюминиевой отливки |
|
|
X „ |
2700*93 |
7 = 2,02. |
— = 2 |
-------------т---------- |
|
X , |
1500*0,26(659-20) |
|
Как видно, что в момент полного затвердевания отливки глубина прогретого слоя в сухой форме примерно равна толщине 2Х\ отливки. В сырой форме эта толщина должна быть почти в два раза меньше из-за большого значения коэффициента ее теплоемкости.
Вреальных условиях литья толщина неметаллической прослойки часто бывает больше толщины отливки. Отсюда следует, что первые три стадии охлаждения отливки в двухслойной форме протекают так, как если бы она охлаждалась в сплошной неметаллической форме.
Взависимости от конкретной толщины Хъпрослойки три стадии процесса могут рассчитываться по формулам, выведенным без учета влияния металлической опоки. Соответствующие формулы приводятся в следующем параграфе.
Будем рассматривать лишь четвертую стадию процесса, на которой в основном отражается влияние искусственного охлаждения отливки (посредством обдувки воздухом внешней поверхности опоки). При решении задачи предполагается, что все геометрические и термофизические характеристики отливки и формы известны.
Температура окружающей среды. Система, изображенная на рис. 10.47, применяется на практике для искусственного охлаждения отливки и сокращения за этот счет времени выдержки отливки в форме.
При решении задачи для четвертой стадии процесса воспользуемся приближенным методом, изложенным в предыдущем параграфе. Согласно этому методу охлаждение отливки в форме расчленяется на два процесса: первый процесс соответствует тепловому взаимодействию отливки и формы, второй - охлаждению всей системы «отливка - форма» в окружающей среде.
Вданном случае возникает дополнительная трудность, которая связана с тем, что теплоаккумулирующей способностью вещества прослойки, как это было сделано прежде, пренебречь нельзя. Эту трудность в первом грубом приближении можно преодолеть, если тепловую емкость прослойки частично придать отливке, а частично - опоке. В результате решение задачи будет походить на решение задачи для массивного кокиля. Разница получается лишь
взначениях отдельных величин, входящих в расчетные формулы. Предположим вначале, что плоская отливка охлаждается в симметричной
двухслойной форме (рис. 10.54). При этом средняя калориметрическая температура системы, найденная по формуле (10.195),
++(«+ »*>!■
1 + /и+ т + т"
где
Второй вариант решения позволяет приближенно определять температуру отливки и опоки как функцию времени для несимметричной задачи (рис. 10.53).
Если начальные температуры стержня и двухслойной формы равны между собой и не равны гокр, то получается более сложное дифференциальное уравнение, которое может быть легко решено известными методами.
10.6.4. Способы воздействия на процесс формирования отливки
Выведенные в предыдущих главах формулы связывают все главные факторы, характеризующие процесс формирования отливки. Вместе с тем без предварительного анализа непосредственно из формул еще не видно, какова степень влияния отдельных факторов на ход процесса формирования. В связи с этим в настоящем параграфе рассматривается вопрос о количественной стороне влияния параметров технологического процесса на ход формирования отливки. Такая постановка вопроса обусловлена тем, что инженеру очень важно знать заранее, какими возможностями он располагает при выборе технологического процесса с целью получения отливки с наперед заданными свойствами.
1. Влияние материала отливки
Ограничимся рассмотрением тех свойств, которые в той или иной мере связаны с тепловой стороной явления.
Интервал температур кристаллизации. Он является самым важным фактором, определяющим механизм процесса затвердевания (последовательное или объемное затвердевание), следовательно, и специфические особенности формирования структуры отливки. Кроме того, внутри интервала AtKp образуются усадочные дефекты, горячие трещины и ликвационные явления.
Влияние интервала температур кристаллизации может в значительной мере погашаться действием теплофизических факторов, которые технолог может задавать по своему усмотрению (интенсивность охлаждения, от которой зависит перепад 8\t температуры в сечении отливки и т. д.).
Теплофизические и физико-механические свойства. Теплофизические свойства материала отливки влияют на процесс формирования в самых различных направлениях. Например, возрастание коэффициента теплопроводности Х\ приводит к уменьшению перепада температуры 8\t в сечении отливки за счет уменьшения критерия Bi\. В этом же направлении действует коэффициент аккумуляции в, = и удельная теплота
кристаллизации р\. Уменьшение 8\t связано со снижением термических напряжений и усадки отливки, но приводит к развитию процесса объемного затвердевания металла.
Следует отметить, что теплофизические свойства металла, как правило, оказываются заданными. Вместе с тем путем модифицирования и легирования