ANALIZA PROCESU ZAPEŁNIENIA WNĘKI CIEKŁYM STOPEM W METODZIE PEŁNEJ FORMY.

Transkrypt

1 0/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 999, Volume, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 999, Rocznik, Nr 40 AN Katowice L ISSN ANALIZA ROCESU ZAEŁNIENIA WNĘKI CIEKŁYM STOEM W METODZIE EŁNEJ FORMY. ACYNIAK Tadeusz Instytut Inżynierii Materiałowej i Technik Bezwiórowych olitechniki Łódzkiej Łódź, ul. Stefanowskiego tel. (0-4) Wprowadzenie. Technologia wytwarzania odlewów metodą pełnej formy, w której wykorzystywane są zgazowywane modele ze spienionych tworzyw wielkocząsteczkowych w ostatnim dziesięcioleciu rozwija się bardzo dynamicznie. roces wytwarzania odlewów metodą pełnej formy rozpoczyna się od wykonania modelu ze spienionego np. polistyrenu, na który nanosi się ogniotrwałe pokrycie, a następnie wstawia w suchy pozbawiony spoiwa piasek, który poddaje się wibracji w celu zagęszczenia i osiągnięcia odpowiedniej, pożądanej sztywności formy, a następnie forma jest zalewana. odczas zalewania styropianowy model ulega zgazowaniu, a metal wypełnia powstałą wnękę odwzorowując kształt modelu. roces wypełniania wnęki formy ciekłym stopem oraz zgazowywania i wyparowywania modelu styropianowego przedstawiono m.in. w literaturze [], [3], [4], [5], [6]. roces zgazowywania i wypełniania wnęki ciekłym stopem wpływa na jakość odlewu, dlatego też poznanie i opisanie zjawisk zachodzących podczas zalewania pozwoli na właściwe dobranie parametrów procesu. W pracy [5] opisano równanie prędkości topienia modelu styropianowego. W niniejszej pracy stanowiącej kontynuację prac autora, przedstawiono równanie ruchu ciekłego stopu podczas zalewania w procesie pełnej formy.. odstawy teoretyczne procesu... Założenia modelu matematycznego. Model matematyczny procesu wypełnienia formy ciekłym metalem opracowano przy następujących założeniach: zapełnienie wnęki formy realizowane jest przez układ wlewowy od dołu, podczas procesu zalewania nie ma wymiany ciepła z otoczeniem,

2 78 temperatura stopu τ podczas zalewania jest stała, parowanie i gazyfikacja modelu styropianowego odbywa się wyłącznie z formy ciekłej, odprowadzenie powstałych gazów odbywa się na drodze filtracji przez pokrycie i ziarna piasku, podczas całego procesu temperatura otoczenia jest stała, ciśnienie metalostatyczne 0 jest stałe, model odlewu posiada kształt walca. Schemat procesu zapełnienia formy ciekłym stopem i rozkład ciśnień przedstawiono na rys.. Y F atm F st 0 q φ qφ g y y l X stwd S Rys. Schemat procesu zapełniania formy Fig. Diagram of the process of filling mould.. Równanie dynamiczne ruchu ciekłego metalu. Ogólne równanie dynamiczne ruchu można przedstawić d y m = F gdzie: m masa ciekłego metalu sprowadzona do układu współrzędnych odlewu, kg d y przyspieszenie ciekłego metalu względem osi y, m/s ciśnienie działające na ciekły metal, a F powierzchnia ciekłego metalu na którą działa ciśnienie, m ()

3 79 Masę ciekłego metalu tzn. we wlewie głównym m =F L ρ, we wlewie doprowadzającym m wd =F wd L wd ρ oraz w odlewie m =F y ρ sprowadzoną do układu współrzędnych odlewu wyznaczono korzystając z równania zachowania energii kinetycznej oraz równania ciągłości strugi. Masę sprowadzoną określono równaniem m = + + sp ρ y () F Ciśnienie dynamiczne działające na ciekły metal wyrażono wzorem = atm st + stwd g (3) gdzie: atm ciśnienie atmosferyczne 0 = ρ g L (4) = ρ g y (5) st, stwd straty ciśnienia odpowiednio we wlewie głównym ρ L ρ st = λ H V = λh V (6) d d H i we wlewie doprowadzającym ρ d V st = λ H (7) Hwd g ciśnienie gazu panujące w szczelinie. odstawiając do równania różniczkowego ruchu metalu () równanie () i (3) i przekształcając otrzymano równanie L + + ( ) atm λh ρ V ρ g L y g d y d F d F (8) H Hwd wd = L y F + + ρ F o zastosowaniu podstawienia dy = V otrzymano układ równań dy = V L (9) wd atm λh ρ V + + ρ ( ) g y g dv d H F dhwd = L y F + + ρ F rzedstawiony powyżej układ równań różniczkowych pozwala na analizę ruchu ciekłego metalu podczas wypełniania formy ciekłym stopem. H

4 80 3. Badania własne 3.. Badania symulacyjne procesu zapełniania formy Do rozwiązania równań różniczkowych (9) wykorzystano metodę Rungego Kuty [7]. Opracowano algorytm obliczeń. rzeprowadzono badania mające na celu określenie wpływu ciśnienia gazu g w szczelinie, przekroju wlewu doprowadzającego F wd, wysokości wlewu głównego L, na prędkość podnoszenia się metalu V we wnęce formy. 3.. Analiza i wyniki badań Na rysunku przedstawiono zmianę prędkości V podnoszenia się lustra metalu w czasie zalewania dla różnych wartości ciśnienia panującego w szczelinie oraz zależność V = f( g ). g=80 ka g=90 ka rędkość V [m/s] 0. g=00 ka rędkość V [m/s] 0. g=0 ka 0. g=04 ka Czas zalewania [s] Ciśnienie gazu w szczelinie g [ka] Rys. Zmiana prędkości V w czasie zalewania dla róznych g oraz zależność V =f( g ) Fig. Change of speed V during casting for different values g of and relation V =f( g ) Wraz ze wzrostem ciśnienia gazów w szczelinie prędkość V wypełnienia wnęki maleje. Zmianę prędkości V podnoszenia się metalu w formie w czasie zalewania dla różnych przekrojów wlewu doprowadzającego F wd oraz zależność V = f(f wd /F ) przedstawiono na rysunku 3.

5 8 =0 cm =5 cm rędkość V [m/s] 0. = cm =0,5 cm rędkość V [m/s] =0,4 cm =0,3 cm 0. =0, cm Czas zalewania [s] /F Rys. 3 Zmiana prędkości V w czasie zalewania dla różnych F wd oraz zależność V =f(f wd /F ) Fig. 3 Change of speed V during casting for different values F wd of and relation V =f(f wd /F ) Z analizy powyższego rysunku wynika, że zwiększanie przekroju wlewu doprowadzającego powyżej 0% przekroju wlewu głównego nie powoduje już wzrostu prędkości zalewania. Na rysunku 4 przedstawiono zmianę prędkości V w czasie zalewania dla różnych wysokości wlewu głównego L oraz zależność V = f(l ). =00 cm =00 cm rędkość V [m/s] 0. =70 cm = 50 cm =30 cm rędkość V [m/s] =0 cm Czas zalewania [s] Wysokość wlewu głównego [m] Rys. 4 Zmiana prędkości V w czasie zalewania dla różnych L oraz zależność V =f(l ) Fig. 4 Change of speed V during casting for different values L of and relation V =f(l ) Z rysunku wynika, że prędkość zalewania rośnie wraz ze wzrostem wysokości wlewu głównego L.

6 8 4. odsumowanie Analizując wyniki badań symulacyjnych potwierdzono, że jednym z najistotniejszych czynników wpływających na proces wypełnienia formy ciekłym metalem jest ciśnienie gazu g w szczelinie, również geometria układu wlewowego. Analiza przedstawionych równań potwierdziła ich przydatność do analizy wypełnienia formy ciekłym stopem w metodzie pełnej formy. Literatura [] Cleegg A.J.: Evaporative attern Casting a Review of Recent Developments and rogress, Foundry Trade Journal International, June 99 [] Nowak A.: Międzynarodowa Konferencja LOST FORM, rzegląd Odlewnictwa Nr 999 [3] Stiepanow J. A.: Litie po gazificirujemych modielam, Moskwa, Maszinostojenie 976 [4] Shivkumar S.: Fizikalne chemickie aspekty Liti hliniku na polystyrenove modely, AFS Transactions 987 [5] acyniak T.: Analiza procesu zgazowywanych modelu styropianowego w metodzie pełnej formy, Zjawiska Fizyko-Chemiczne w Odlewnictwie. KBN AN, Zielona Góra 994 [6] acyniak T.: Wpływ wybranych parametrów odlewania staliwa metodą pełnej formy, Krzepnięcie metali i stopów Nr 3 AN, Katowice 997 [7] Szmelter J.: Metody komputerowe w mechanice, WN, Warszawa 980 Recenzował rof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński rof. dr hab. inż. rzemysław Wasilewski