Підвищення якості виливків у формах із структурочутливих формувальних сумішей - Автореферат

Ця властивість означає залежність фізичних або технологічних характеристик гетерогенних сумішей не тільки від їх складу (що цілком природньо), але й від геометрії границь розподілу між окремими компонентами. Але більшість цих залежностей була отримана емпіричним шляхом, тому що у дослідників не існувало адекватної фізичної (а отже, і математичної) моделі, яка звязує аналітично, хай навіть із заданою долею ймовірності, такі характеристики, як форми границь компонентів та властивості суміші. Теорія протікання, яка отримала розповсюдження в останній час, у сукупності зі своїм математичним апаратом дає досліднику можливість не тільки пояснити відомі експериментальні співвідношення, але й кількісно передбачити увесь ланцюжок “технологія-геометрія-властивості”. Остання обставина робить дослідження в області моделювання процесів, які протікають при виготовленні виливків у формах із структурочутливих ливарних сумішей, дуже актуальними. Робота виконувалась у відповідності до пунктів 01.02 - “Розробка нових методів моделювання процесів лиття та систем оптимального управління формуванням виливків та злитків на базі ЕОМ, розробка алгоритмів технологічних процесів”, 05.01.01 - “Розробка структур алгоритмів та математичних моделей технологічних процесів ливарного виробництва” Координаційного плану НДР Наукової Ради АНУ з проблеми 2.25.1.5 - “Розробка теоретичних основ управління процесами формування виливків із застосуванням зовнішніх впливів”, а також у рамках НДР № 209-24 “Розробка основних принципів та моделей для схемотехнічного проектування обєктів машинобудування” тематичного плану Одеського державного політехнічного університету (номер державної реєстрації 0195U012359).Перші дві можливості можуть бути здійснені за рахунок ущільнення суміші, третя - при введенні домішок у суміш. Модель дозволяє вивчати зміну структури шляхом додавання звязків між вузлами; зміну параметрів, не повязану зі зміною матеріалів, що входять до суміші, або їхньої концентрації, а також часткову або повну заміну компонентів суміші; зміну рівномірності розподілу частинок наповнювача в суцільній фазі. Блок управління готує до початку наступної ітерації інформацію про структурні зміни, що необхідно зробити в моделі: додаються нові звязки, якщо це необхідно; змінюються значення елементів звязку, якщо змінюються умови контакту; змінюються значення параметрів елементів, які моделюють властивості піщаної основи, якщо до суміші вводяться домішки. Тому моделювання переносу в гетерогенних піщаних середовищах ливарних формувальних сумішей необхідно розподіляти, як мінімум, на два розмірних рівні: на нижньому, мікрорівні повинні моделюватися конкретні ситуації, які спостерігаються у формі при тому або іншому методі її утворення, співмірні з 10 - 15 розмірами зерна; на верхньому, макрорівні - ситуації, що спостерігаються у формі при тому або іншому методі її утворення, співмірні з розмірами самої форми. Модель цього процесу раніше мала вигляд одержаного експериментально математичного опису зміни ефективних значень головних фізичних характеристик сумішей, яка супроводжує ущільнення.У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі підвищення якості виливків за рахунок нових можливостей в проектуванні та управлінні, що їх відкриває застосування нових методів моделювання процесів переносу у структурочутливих формувальних сумішах. Аналізом літературних джерел встановлено, що структура формувальних сумішей суттєво впливає на властивості гетерогенних ливарних форм, а отже і на якість виливків, які в них одержуються. Показано, що така чутливість на мікрорівні обумовлена трьома чинниками, які піддаються прогнозуванню і управлінню у відповідних межах: кількістю контактів між зернами суміші (координаційним числом), властивостями переносу таких контактів та властивостями матеріалів зерен. Підмодель мікрорівня складається з блоків, які відображають чутливість до зміни мікроструктури сумішей і параметрів їх елементів. Підмодель макрорівня дозволяє враховувати наявність у формі великих трекових утворень: тріщин, наколів, вентиляційних каналів і порожнин, барєрів, холодильників, голчастих домішок, тощо.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі підвищення якості виливків за рахунок нових можливостей в проектуванні та управлінні, що їх відкриває застосування нових методів моделювання процесів переносу у структурочутливих формувальних сумішах. По матеріалах, одержаних в роботі, сформульовані такі висновки.

1. Аналізом літературних джерел встановлено, що структура формувальних сумішей суттєво впливає на властивості гетерогенних ливарних форм, а отже і на якість виливків, які в них одержуються. Встановлено також, що такі суміші можна розглядати як фрактальні обєкти, які мають дрібну розмірність в диапазоні від 2 до 3. Показано, що у цьому випадку до формувальних сумішей може бути застосований підхід, який дозволяє використовувати для дослідження процесів тепломасопереносу методичні та математичні забезпечення теорії перколяційного моделювання.

2. Обгрунтована залежність мікро- і макроструктури піщаних ливарних форм від параметрів технологічного процесу формоутворення. Виявлено механізм структурної чутливості піщаних формувальних сумішей. Показано, що така чутливість на мікрорівні обумовлена трьома чинниками, які піддаються прогнозуванню і управлінню у відповідних межах: кількістю контактів між зернами суміші (координаційним числом), властивостями переносу таких контактів та властивостями матеріалів зерен.

3. Запропонована універсальна схемотехнічна модель охолодження виливків у піщаній формі, яка складається з двох підмоделей: мікро та макрорівня. Підмодель мікрорівня складається з блоків, які відображають чутливість до зміни мікроструктури сумішей і параметрів їх елементів. Підмодель макрорівня дозволяє враховувати наявність у формі великих трекових утворень: тріщин, наколів, вентиляційних каналів і порожнин, барєрів, холодильників, голчастих домішок, тощо. Модель обєкта представлена у вигляді ймовірнісного автомата, переключення якого здійснюється на кожній ітерації.

4. Перший блок мікрорівня є моделлю зміни координаційного числа при технологічній дії на суміш. Для цього спочатку моделюється координаційне число суміші до початку дії і відповідна інформація вводиться до моделі у вигляді заданого набору звязків між вузлами електричної схеми, кожен з яких відповідає, наприклад, зерну термостійкого наповнювача. Після кожної ітерації моделювання за сигналом відповідних блоків включаються додаткові звязки, які відповідають додатковим контактам при більш щільній укладці зерен.

5. Другий блок мікрорівня здійснює моделювання зміни параметрів контактів між зернами при технологічній дії на суміш. В задачу цього блоку входить встановлення однозначної відповідності між зовнішньою дією на суміш (наприклад, ущільненням) і параметрами переносу в зонах контакта зерен. Отримані дані вносяться до електричної моделі.

6. Третій блок дозволяє за допомогою ймовірнісного модельного експерименту на двох- або трьохвимірній решітці прогнозувати зміну властивостей формувальних сумішей при введенні домішок шляхом поітераційного обчислення потужності і визначення скінченності утворених кластерів однорідних елементів суміші. Дані, які отримані в цьому блоці, також заносяться до моделі у вигляді значень електричних опору та ємкості відповідних елементів.

7. Модельним експериментом отримана імовірність утворення нескінченного кластера на квадратній решітці 53?53, яка дорівнює 0,51, що підтвердило адекватність моделі. Встановлено, що розмір зони чутливості і кут нахилу перехідної кривої на діаграмі “склад - властивість” при введенні домішок другого основного компонента у формувальну суміш є функціями різниці властивостей протікання компонентів (газопроникніості, теплопроводності), при цьому середина зони відповідає імовірності утворення нескінченного кластера. Це положення дозволяє будувати передбачувані діаграми для будь-якої пари компонентів і прогнозувати властивості їх сумішей заданого складу, або, навпаки, по заданій властивості визначати склад.

8. Теоретично - з геометричних міркувань і експериментально - безпосереднім вимірюванням коефіцієнту теплопроводності підтверджено, що при ущільненні сумішей за рахунок зімяття звязуючого площа теплового контакту росте стрибком на самому початку процесу ущільнення і далі практично не змінюється. Особливо помітні такі явища при ущільненні плакованих або близьких до них за структурою сумішей.

9. Компютерним моделюванням за допомогою розробленої моделі здійснена оптимізація процесів протікання у ливарних формах із структурочутливих формувальних сумішей: піщано-смоляної та керамічної. Одержані рекомендації по внесенню змін у технологічний процес формоутворення, які дозволяють вирівнювати теплові потоки за рахунок управління властивостями на мікрорівні у першому випадку і газові потоки за рахунок управління властивостями на макрорівні - у другому.

10. Використання створеної в роботі моделі охолодження відповідального чавунного виливка “Рукав”, дозволило відмовитись від застосування внутрішньоформених холодильників при зберіганні початкових показників якості виливків і виходу придатного лиття, а також підвищенні продуктивності праці на 18,3 %. Результати, одержані в роботі, підтверджені у ДП “Станколіт” Відкритого акціонерного товариства “Одеський завод радіально-свердлильних верстатів”. Нові наукові розробки впроваджені в навчальний процес.

Кострова Г.В., Покрытан Л.А., Рубанович (Пурич) В.Н. Моделирование теплопередачи через песчано-смоляную смесь на макроуровне / Труды Одесского политехнического университета. - 1997. - Вып. 1. - С. 15 - 16.

Кострова Г.В., Покрытан Л.А., Рубанович (Пурич) В.Н. Моделирование теплопередачи через песчано-смоляную смесь на микроуровне / Труды Одесского политехнического университета. - 1997. - Вып. 1. - С. 17 - 20.

Кострова Г.В., Новиков В.В., Рубанович (Пурич) В.Н. Управление свойствами структурочувствительных гетерогенных литейных материалов / Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - Вып. 1. - С. 8 - 10.

Становский А.Л., Пурич В.Н., Онищенко А.Г. Модельный эксперимент на взаимопроникающих кластерах замещения в литейной форме / Труды Одесского политехнического университета. - 1999. - Вып. 1. - С. 8 - 10.

Кострова Г.В., Пурич В.Н., Становский А.Л. Структурное моделирование уплотнения песчаных материалов с помощью вероятностных автоматов / Труды Одесского политехнического университета. - 1999. - Вып. 2. - С. 8 - 10.

Балан С.А., Кострова Г.В., Пурич В.Н. Перколяционный анализ структурочувствительных формовочных материалов / Труды Одесского политехнического университета. - 2000. - Вып. 1. - С. 8 - 11.

Кострова Г.В., Рубанович В.Н. Моделирование высокоинтенсивной теплопередачи через пористые среды с источником и стоком тепла // Труды IV семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 1997. - С. 39 - 41.

Становский А.Л., Кострова Г.В., Пурич В.Н. Схемотехническое моделирование перколяционных систем // Труды V семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 1998. - С. 10 - 11.

Пурич В.Н. Технологические методы управления проницаемостью песчаных литейных форм // Труды V семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 1998. - С. 11 - 12.

Становский А.Л., Кострова Г.В., Пурич В.Н. Структурочувствительные формовочные материалы // Труды V семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 1998. - С. 14 - 16.

Кострова Г.В., Пурич В.Н. Стратегия моделирования перколяционных процессов в литейной форме // Труды VI семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 1999. - С. 4.

Кострова Г.В., Пурич В.Н., Онищенко А.Г. Модельный эксперимент, имитирующий введение добавок в песчаные смеси // Труды VI семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 1999. - С. 5 - 7.

Балан С.А., Пурич В.Н., Становский А.Л. Оптимизация процессов переноса в песчано-смоляных формах // Труды VII семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 2000. - С. 22 - 25.

Балан С.А., Пурич В.Н., Становский А.Л. Оптимизация процессов переноса в керамических формах // Труды VII семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 2000. - С. 25 - 28.

Балан С.А., Кострова Г.В., Пурич В.Н. Анализ структурной чувствительности формовочных смесей // Труды VII семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса: ОГПУ, 2000. - С. 18 - 22.

Пуріч В.П. Підвищення якості виливків у формах із структурочутливих формувальних сумішей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - Ливарне виробництво. - Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2000.

Дисертація присвячена розробці принципів, алгоритмів та програм для ефективного застосування універсальної схемотехнічної моделі охолодження виливків у піщаних формах. Виконана класифікація структурочутливих формувальних сумішей з точки зору моделювання переносу, який в них відбувається, з метою підвищення якості виливків. Розроблені принципи моделювання на мікро та макрорівнях процесів зміни структури формувальних сумішей за рахунок варіювання їх складу та зовнішніх технологічних впливів. Проведений комплекс досліджень параметрів перенесення крізь формувальні суміші різного складу, які одержані в різних умовах. Побудовані фізичні та математичні моделі процесів тепломасопереносу крізь гетерогенні формувальні суміші. Результати моделювання з достатньою для інженерного рівня точністю підтверджуються експериментальними даними. Розроблені методи оптимізації процесів тепломасопереносу у піщано-смоляних, керамічних і піщано-глинистих формах.

Ключові слова: якість виливків; структурочутливість; піщані формувальні суміші; процеси перенесення; компьтерні моделі.

Purich V.N. Increase of quality having cast in the forms from structure-sensitive form mixes. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science by speciality 05.16.04 - Foundry manufacture. - National technical university “Kiev polytechnical institute”, Kiev, 2000.

The dissertation is devoted to development of principles, algorithms and programs for effective application universal circuit-technical of model of cooling having cast in the sandy forms. The classification structure-sensitive form mixes is executed from the point of view of modeling carry with the purpose of increase of quality having cast. The principles of modeling on micro and macrolevels of processes of change of structure form mixes are developed at the expense of a variation of structure and technological influences. The complex of researches of parameters of carry through form mix of various structure is carried out which are received in various conditions. The physical and mathematical models of processes heat-and-mass exchange through heterogeneous form mix are constructed. The results of modeling with sufficient for an engineering level by accuracy prove to be true by experimental data. The methods of optimization of processes heat-and-mass exchange in the sand-pitch, ceramic and sand-clay forms are developed.

Key words: quality having cast; structure-sensitive; sandy form mix; processes of carry; computer model.

Пурич В.Н. Повышение качества отливок в формах из структурочувствительных формовочных смесей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - Литейное производство. - Национальный технический университет “Киевский политехнический институт”, Киев, 2000.

Диссертация посвящена разработке принципов, алгоритмов и программ для эффективного применения универсальной схемотехнической модели охлаждения отливок в песчаных формах.

Структурная чувствительность литейных формовочных материалов означает зависимость физических или технологических свойств гетерогенных смесей не только от их состава (что вполне естественно), но и от геометрии границы раздела между отдельными компонентами. Практическую ценность количественной оценке этой зависимости придает то обстоятельство, что положение этих границ является функцией технологии формообразования. Известна, например, зависимость газопроницаемости и теплопроводности песчаной формовочной смеси от уплотнения, зависимость проницаемости кварцевой керамики от режима термообработки, зависимость реологических свойств от зернового состава и состояния связующего и многое другое.

Однако, большинство этих зависимостей были получены эмпирическим путем, т.к. у исследователей не существовало адекватной физической (а значит, и математической) модели, связывающей аналитически, пусть даже с заданной долей вероятности, такие характеристики, как формы границ компонентов и свойства смесей. Теория протекания, получившая распространение в последнее время в совокупности со своим математическим аппаратом дает возможность не только объяснить известные экспериментальные соотношения, но и количественно предвидеть всю цепочку "технология - геометрия - свойства".

Целью настоящей работы является повышение качества отливок и снижение брака при их изготовлении в песчаных литейных формах путем совершенствования технологических процессов литья за счет исследования, разработки и внедрения новых методов анализа свойств структурочувствительных гетерогенных формовочных смесей.

Для достижения этой цели в работе были решены следующие задачи: выполнена классификация структурочувствительных формовочных смесей, применяемых в литейном производстве; разработаны принципы моделирования на микро и макро уровнях процессов изменения структуры формовочных смесей за счет варьирования состава и технологических воздействий на смесь; проведен комплекс исследований параметров переноса через формовочные смеси различного состава, полученные в различных условиях; построены физические и математические модели процессов тепломассопереноса через гетерогенные формовочные смеси; показано, что результаты моделирования с достаточной для инженерных целей точностью подтверждаются экспериментальными данными, полученными как в предшествующих работах, так в исследованиях автора; разработаны методы оптимизации процессов тепломассопереноса в песчано-смоляных, керамических и песчано-глинистых формах; разработаны алгоритмы и программы, реализующие модели переноса; проведены производственные испытания рекомендаций, полученных в диссертации и выполнена оценка их эффективности.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые доказано системное единство гетерогенных формовочных материалов, которое состоит в подчинении процессов тепломассопереноса через литейную форму основным положениям теории протекания, построена универсальная схемотехническая перколяционная модель охлаждения отливки в песчаных формах; отдельные компоненты песчаной формовочной смеси: огнеупорный наполнитель, связующие, газонаполненные поры рассмотрены как перколяционные кластеры с непрерывно изменяющимися в процессе формообразования конечностью и мощностью; формулировке задачи прогнозирования параметров тепломассопереноса через гетерогенные структурочувствительные формовочные смеси путем компьютерного моделирования; установлении того обстоятельства, что структурная чувствительность гетерогенных смесей к свойствам переноса зависит от соотношения соответствующих свойств отдельных компонентов системы.

Разработана методология расчета характеристик формовочных смесей. Получены данные о значениях коэффициентов переноса для ряда формовочных смесей. Создан пакет прикладных программ для моделирования процессов переноса в гетерогенных средах. Результаты, которые получены в диссертации, использованы при разработке и производственном испытании технологического процесса изготовления отливки “Рукав” для ОАО “Одесский завод радиально-сверлильных станков”. Применение результатов исследований позволило отказаться от использования внутриформенных холодильников при сохранении исходных показателей качества отливок и выхода годного литья, а также повышении производительности труда на 18,3 %.

Личный вклад соискателя состоит в анализе существующих зависимостей между структурой и свойствами формовочных смесей, формулировке цели и задач выполнения работы, выборе и усовершенствовании математических и экспериментальных методов исследований. Автор разработала схемотехническую модель тепломассопереноса через формовочную смесь, разработала алгоритмы и программы моделирования, приняла участие в обработке и анализе результатов моделирования, формулировании выводов и рекомендаций по работе, производственных испытаниях и их оценке.

Ключевые слова: качество отливок; структурочувствительность; песчаные формовочные смеси; процессы переноса; компьтерные модели.

Размещено на .ru