НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.742.42/43

ПУРІЧ Валентина Миколаївна

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ВИЛИВКІВ У ФОРМАХ

ІЗ СТРУКТУРОЧУТЛИВИХ ФОРМУВАЛЬНИХ СУМІШЕЙ

05.16.04 – Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Заслужений працівник

народної освіти України

Балан Сергій Олександрович,

Одеський державний

політехнічний університет, доцент

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Пономаренко Ольга Іванівна,

Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри ливарного виробництва

кандидат технічних наук, доцент

Авдокушин Володимир Павлович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри

ливарного виробництва чорних і кольорових металів

Провідна установа: Фізико-технологічний інститут

металів і сплавів, відділ фізико-хімії процесів формоутворення,

НАН УКРАЇНИ, м Київ

Захист відбудеться 18 грудня 2000 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.12 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 9, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37

Автореферат розісланий “14” листопада 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.002.12,

кандидат технічних наук, доцент Сиропоршнев Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Структурна чутливість ливарних формувальних сумішей відома давно. 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. Практичну цінність кількісної оцінки цієї залежності надають ті обставини, що розташування цих границь є функцією технології формоутворення. Широко відома, наприклад, залежність масопровідності та теплопровідності однієї й тієї ж за складом піщаної формувальної суміші від ущільнення, залежність проникливості кварцевої кераміки від режиму термообробки, залежність реологічних властивостей від зерновою складу і стану зв`язуючого та багато іншого.

Але більшість цих залежностей була отримана емпіричним шляхом, тому що у дослідників не існувало адекватної фізичної (а отже, і математичної) моделі, яка зв'язує 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 об’єктів машинобудування” тематичного плану Одеського державного політехнічного університету (номер державної реєстрації 0195U012359).

Метою цією роботи є підвищення якості виливків та зниження браку при їх виготовленні у піщаних ливарних формах шляхом вдосконалення технологічних процесів лиття за рахунок дослідження, розробки та впровадження нових методів аналізу властивостей структурочутливих гетерогенних формувальних сумішей.

Для досягнення цієї мети в роботі розв'язані такі задачі:–

виконана класифікація структурочутливих формувальних сумішей, які застосовують у ливарному виробництві;–

розроблені принципи моделювання на мікро- та макрорівнях процесів зміни структури формувальних сумішей за рахунок варіювання складу і технологічних впливів на суміш;–

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; показано, що результати моделювання з достатньою для інженерного рівня точністю підтверджуються експериментальними даними, які одержані, як в попередніх роботах, так і в дослідженнях автора;–

розроблені методи оптимізації процесів тепломасопереносу у піщано-смоляних, керамічних та піщано-глинистих формах;–

розроблені алгоритми та програми, які реалізують моделі переносу; проведені виробничі випробування рекомендацій, одержаних в дисертації, та виконана оцінка їх ефективності.

Об’єкт дослідження. Вплив процесів переносу на якість виготовлення виливків у піщаних формах.

Предмет дослідження. Ливарні форми із структурочутливих формувальних сумішей.

Наукова новизна одержаних результатів. Виконані дослідження умов тепломасопереносу крізь гетерогенні формувальні суміші. Одержані такі головні наукові результати:

–

–

–

–

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методологія розрахунку характеристик формувальних сумішей. Одержані відомості про значення коефіцієнтів переносу для ряду формувальних сумішей. Створено пакет прикладних програм для моделювання процесів переносу в гетерогенних середовищах. Результати, які одержані в дисертації, використані при розробці і виробничому випробуванні технологічного процесу виготовлення виливка “Рукав” для ВАТ “Одеський завод радіально-свердлильних верстатів”. Застосування результатів дослідження дозволило відмовитись від використання внутрішньоформених холодильників при зберіганні початкових показників якості виливків і виходу придатного лиття, а також підвищення продуктивності праці на 18,3 %.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих залежностей між структурою і властивостями формувальних сумішей, формулюванні мети і задач роботи, виборі та вдосконаленні математичних та експериментальних методів досліджень. Автор розробила схемотехнічну модель тепломасопереносу крізь формувальну суміш на мікро- та макрорівнях, розробила алгоритми та програми моделювання, приймала участь в обробці і аналізі результатів моделювання, формулюванні висновків та рекомендацій по роботі, виробничих випробуваннях та їх оцінці.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на розширених засіданнях наукових семінарів кафедри чорних та кольорових металів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (Киів, 2000), кафедри нафтогазового та хімічного машинобудування Одеського державного політехнічного університету (Одеса, 2000), на 6-тій Українській конференції по автоматичному управлінню “Автоматика – 99” (Харків, 1999), та на IV, V, VI та VII семінарах “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях” (Одеса, 1997 – 2000).

Публікації. Результати дисертації викладені в п`ятнадцяти публікаціях, в тому числі, в шести статтях в фахових журналах із переліку спеціальних видань ВАК України, а також в матеріалах п'яти конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та чотирьох додатків. Повний обсяг дисертації – 168 стор., з них додатків – 18 стор. Дисертація містить 77 рисунків, 7 таблиць і посилання до 164 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступ наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну та практичне значення.

У першому роздл розглядається стан питання з проблеми підвищення ролі структурочутливих формувальних сумішей в управлінні якістю виливків. Проаналізовані властивості формувальних сумішей та проблеми їх моделювання при проектуванні ливарних форм. Розглянуто вплив структури на такі властивості формувальних сумішей, як температуропровідність, механічна міцність та газопроникність. Критично оглянут сучасні методи вивчення процесів протікання у ливарних системах.

Оскільки ефективні значення параметрів переносу залежать від структури гетерогенного матеріалу, а остання, у свою чергу, – від технології формоутворення, з'являється можливість технологічними методами управляти остиганням виливка. Ступінь такого впливу в якісному і кількісному вираженні в деяких окремих випадках визначена експериментально. Існують окремі залежності для сумішей конкретного складу у вигляді емпіричних формул, таблиць, графіків і номограм. Проте, величезна різноманітність існуючих і знов утворюваних формувальних сумішей, робить загальну експериментальну оцінку їхньої структурочутливості дуже проблематичною. Аналіз відповідних залежностей показує, що навіть прямий розрахунок умов охолодження виливків дуже утруднений. Що ж стосується оберненого розрахунку – по заданих умовах охолодження визначити необхідні структурні характеристики суміші, то така процедура практично нездійсненна через величезні обчислювальні труднощі і неприпустимо низьку точність одержуваних результатів. Таким чином, можна стверджувати, що аналітичний розрахунок параметрів мікроструктури формувальної суміші був реальному користувачеві недоступний. На цій підставі сформульовані мета та задач дослдження.

У другому роздл обгрунтовано вибр предмета дослдження – ливарних форм: піщано-глинистих, піщано-смоляних та керамічних, які відрізняються структурною чутливістю головних технологічних властивостей. Наведено методику вимірювання ефективних теплофізичних характеристик гетерогенних сумішей. В роботі використаний метод розв`язання рівняння теплопровідності для циліндра з урахуванням низької температурної стійкості деяких з досліджуваних сумішей. Газопроникність сумішей досліджували за допомогою модернізованого стандартного обладнання.

Для моделювання залежності параметрів протікання від структури сумішей була створена універсальна математична модель, яка складається з окремих блоків, що виконують перетворення фазових змінних (температури, тиску, маси, тощо). Модель надає користувачеві можливість відтворювати на мікро- та макрорівнях довільне сполучення термічної та механічної дії на будь-яку піщану формувальну суміш. Така побудова моделі дозволяє описувати на мікро- та макрорівнях однобічне і об'ємне нагрівання суміші, масообмін із навколишнім середовищем, а також будь-який вид механічного навантаження. На макрорівні в модель вводяться порожнини технологічного або штучного походження (тріщини, наколи і т.п.), суцільні вставки (холодильники), тощо. Завдяки цьому, універсальна модель надає користувачеві можливість аналізувати зміну проникливості при будь-якому методі формоутворення: гравітаційному, пресуванням, струшуванням, метальному, пескодувному, пескострільному, вибуховому, тощо або їхньому сполученні.

Комп'ютерна реалізація моделі на мікро- та макрорівнях здійснювалася на основі електротермічної і електрогідравлічної аналогій за допомогою САПР “MICRO-CAP V”, адаптованої для дослідження моделей об'єктів ливарного виробництва.

У третьому роздл в результаті проведених досліджень запропоновано універсальну схемотехнічну модель структурних перетворень у формувальних сумішах. Модель надає можливість аналізувати три головні види структурних перетворень в об'єкті. Метою моделювання може бути один з таких запитів виробництва:

–

–

–

–

–

–

Відповідно до основних технологічних операцій при литті в піщані форми існує три головні можливості впливати на структуру скелета і пор форми на мікрорівні: збільшити кількість контактів між зернами; збільшити площу контакта між зернами; частково замінити зерна на одержані із іншого матеріалу. Перші дві можливості можуть бути здійснені за рахунок ущільнення суміші, третя – при введенні домішок у суміш.

На макрорівні, у свою чергу, існують такі технологічні можливості: диференційне ущільнення; введення макрохолодильників; виконання наколів. Крім того, різноманітні макроподії з формою можуть відбуватися довільно, але й у цьому випадку ними можна управляти. Насамперед, це – тріщини, що утворюються, наприклад, при литті в керамічні форми.

Модель дозволяє вивчати зміну структури шляхом додавання зв'язків між вузлами; зміну параметрів, не пов'язану 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.

Модель працює таким чином.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Загальна схема універсальної моделі структурних перетворень у формувальних сумішах наведена на рис. 1. Під час моделювання мінімальний розмір мікрозразка, при якому його ефективні властивості переносу ще відповідають ефективним властивостям макрозразка, визначають мінімальну розмірність електричної моделі, яка адекватно відбиває ці властивості. З іншого боку, збільшення розмірності моделі призводить до швидкого зростання кількості необхідних елементів електричної схеми. Остання обставина обмежує застосування для моделювання схемотехнічних САПР. Дійсно, в стандартному зразку діаметром і висотою 50 мм знаходяться біля ста мільйонів піщинок фракції 01. Це перевищує можливості діючих САПР приблизно в 10000 разів!

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.

Моделювання зміни структури в процесі ущільнення. Модель цього процесу раніше мала вигляд одержаного експериментально математичного опису зміни ефективних значень головних фізичних характеристик сумішей, яка супроводжує ущільнення. Таке, чисто “параметричне” моделювання процесів, що відбуваються при ущільненні, не є повним, оскільки воно не враховує механізм глибоких структурних змін, які відбуваються при цьому у гетерогенному середовищі “сипучий матеріал – поровий простір”. Створена структурна модель дозволяє не тільки відтворювати експериментально визначені властивості, але і прогнозувати їхню зміну в широкому діапазоні гранулометричних і масових характеристик.

Так, при кубічній укладці зерен суміші в кожного з них з координатами центра ijk є шість “сусідів”, а формула такої укладки має вигляд:

K6 = {(i-1)jk; i(j-1)k; i(j+1)k; (i+1)jk; ij(k+1); ij(k-1)}. (1)

При найщільнішій – гексагональній укладці в кожного ijk-го зерна вже дванадцять сусідів, а формула такої укладки має вигляд:

K12 = {(i-1)jk; i(j-1)k; i(j+1)k; (i+1)jk; ij(k+1); ij(k-1); i(j+1)(k-1); (i-1)j(k-1);

(i-1)(j-1)k; i(j+1)(k+1); (i-1)j(k+1); (i+ 1)(j+1)k} (2)

Порівнюючи формули (1) і (2), знайдемо, що їхня відмінність полягає в шести нових зв'язках:

K12-6 = {i(j+1)(k-1);(i-1)j(k-1);(i-1)(j-1)k; i(j+1)(k+1);(i-1)j(k+1);(i+1)(j+1)k} (3)

Таким чином, якщо в деякій початковій моделі врахувати зв'язки (1), а потім додавати, наприклад, випадково, зв'язки з (3), то цим можна моделювати процес ущільнення. Кількісний опис такого додавання здійснювали, виходячи з того, що кожній укладці відповідає своя відносна щільність:

, (4)

де Уеф – ефективне значення відносної щільності суміші при даній укладці; ? еф – ефективна насипна щільність; ? мат. зерна – щільність матеріала зерна.

Кількість зв'язків між зернами при кубічній N6 і гексагональній N12 укладках, відповідно, дорівнює:

, ,

де d – середній (ефективний) діаметр зерна; n, m, l – розміри зразка.

Моделювання ущільнення піщаної суміші від щільності ?min до ?max здійснювали у відповідності з таким алгоритмом.

1. Передбачається наявність віртуального об'єкта у вигляді розташованих у вузлах трьохвимірної сітки I J K правильних кулеподібних піщинок, які не контактують між собою.

2. Створюється трьохвимірний масив чисел А(I, J, K), а також масив У(Iґ, Jґ, Kґ - Iґ, Jґ, Kґ) із розрахованих за (1) N12 “зв'язків” між цими числами. Оскільки піщини між собою не контактують, масив У спочатку порожній.

3. Масив У заповнюється N6 зв'язками, обумовленими співвідношенням (1), тобто спочатку передбачається кубічна схема укладки зерен.

4. Розраховується за (4) значення Уеф, яке відповідає щільності суміші, що моделюється, до початку ущільнення, тобто ?min. Оскільки кожній укладці К відповідає своя щільність У, по залежності У = f(К) визначається ефективне значення Кеф.

5. Визначається додаткова кількість зв'язків у масиві У, яка відповідає початковій щільності суміші ?min. Вона розраховується за формулою:

. (5)

Визначені за (5) зв’язки додаються випадково до масиву В. У такий спосіб модель переводиться в стан, який відповідає початковій щільності ?min.

6. Термін ущільнення розбивається на періоди (ітерації). Зміна стану зв'язків у моделі відбувається тільки на межах між ітераціями. Кількість знов утворених після кожної ітерації зв'язків визначається за залежністю У = f(К), а місця їх розташування за випадковим законом. У такий спосіб реалізується ймовірнісно-автоматна структурна модель процесу ущільнення. Для “насичення” її необхідними параметрами кожного зв'язку залучається деяка властивість (наприклад, теплопровідність), яка після усереднення по об’єму стає мірою ефективної характеристики гетерогенного середовища у цілому.

В моделі присвоєння конкретних значень i, j, та k зв'язкам, що додаються, здійснювали за допомогою генератора випадкових чисел.

Моделювання зміни параметрів у процесі ущільнення. У процесі ущільнення суміші змінюється конфігурація зв`язуючого в межзеренном просторі. Розглянемо, наприклад, плаковану піщано-смоляну суміш до початку ущільнення, виходячи з таких умовних допущень:–

зерна наповнювача є однаковими правильними кульками радіусом r; –

зв`язуюче на поверхні зepнa розташовується рівномірним прошарком, так що система “зерно-зв`язуюче” являє собою правильну кульку радіусом R;–

щільність матеріалу зерна постійна за об’ємом і дорівнює 1;–

щільність матеріалу зв`язуючого постійна за об’ємом і дорівнює 2;–

відношення маси зв`язуючого m2 до загальної маси системи m1 + m2 є масовою концентрацію зв`язуючого в суміші . Товщина прошарку зв`язуючого на піщинці в цих умовах буде дорівнювати:

. (6)

Торкання двох плакованих зерен до початку ущільнення, тобто коли початкова кулеподібна конфігурація системи "зерно-зв`язуюче" не порушена, відбувається в одній точці. Такий контакт між сусідніми зернами найменш сприятливий для теплопередачі, яка в цьому випадку здійснюється практично тільки через поровий простір.

Найменше ущільнення суміші за рахунок зім’яття зв`язуючого різко змінює механізм теплопередачі, тому що контакт між двома сусідніми зернами стає вже деякою площадкою розміром S. Цей розмір для максимального ущільнення може бути визначений за формулою:

. (7)

Залежність Smax(), розрахована за (6) та (7) для r=0,1 мм, наведена на рис. 2. Тут же наведені результати експериментальних досліджень теплопровідності піщано-смоляних сумішей. Як видно з рисунку, розрахункова максимальна площа контакту при збільшенні кількості зв`язуючого швидко зростає до деякої межі і далі практично не змінюється.

Моделювання зміни параметрів у процесі варіювання компонентного складу суміші. Зміна параметрів у процесі варіювання компонентного складу суміші має місце при введенні тих або інших домішок. Моделювання зводиться до послідовного (поелементного) заміщення параметрів у моделях елементів, що імітує заміну елемента основи на елемент домішки. У якості “домішки” може розглядатися пора в суцільному матеріалі.

Такий експеримент проводили за допомогою ітераційної комп'ютерної імітаційної моделі перетворення структури формувальної суміші. Оскільки алгоритм такого перетворення носить ймовірнісний характер, подібна імітаційна модель відноситься до ймовірнісних автоматів, тобто до дискретних потактових перетворювачів із пам'яттю, функціонування яких у кожному такті залежить тільки від стану пам'яті в них і може бути описане статистично. Схему накопичення елементів зв'язків ілюструє рис. 3.

Модель такого типу існує в автоматному часі, кожною ітерацією якого є виникнення одного додаткового зв'язку в системі. Для переходу в реальний час були машинно реалізовані два підходи.

У першому з них швидкість реального перетворення об'єкта, визначену експериментально, погоджували з кількістю елементарних актів перетворення структури, наприклад, швидкість зміни газопроникніості зі швидкістю тріщиноутворення. При цьому автоматний час перераховували в реальний після кожної наперед заданої серії ітерацій. В другому – реальний час зв'язували з автоматним заздалегідь і жорстко (наприклад, тисяча ітерацій – одна секунда), але сума ймовірностей виникнення подій, вже не дорівнювала одиниці, аж до падіння її на деяких ітераціях до нуля. Коректність роботи моделі підтверджується стабільним значенням сумарної кількості ітерацій до моменту утворення НК при великій кількості модельних експериментів.

Запропоновані алгоритми дозволяють також моделювати “конкретні ситуації”, що виникають в об'єкті. У ливарній формі це можуть бути місцеві пере- або недоущільнення, інші дефекти, несуцільності, анізотропності та ін., а також введення домішок у задані місця в формі, різноманітні технологічні бар'єри зі змінною проникливістю і багато іншого. Для цього на вибір чергових вузлів і їхніх зв'язків накладаються різного роду обмеження, які носять безумовний або стохастичний характер.

Наявність перколяційного порогу в процесі такого заміщення призводить при деякій концентрації домішки до стрибкоподібної зміни властивостей гетерогенної системи. Проте, це явище, настільки характерне для електропровідності і газопроникністі (достатньо, наприклад, одного електропровідного НК мінімальної потужності в початково неелектропровідному середовищі, щоб змінити загальну електропровідність об’єкта на декілька порядків), “не працює” при моделюванні такого параметра, як теплопровідність. Це пояснюється істотною відмінністю електро-провідностей провідника та ізолятора (мільйони разів) у порівнянні з відмінністю в теплопровідності тих же матеріалів (одиниці разів). Аналогічна причина призводить до різкого зростання проникливості стінки після появи першої наскрізної пори (НК пор). Для того ж, щоб присутність нового компонента стала помітною “з точки зору” теплопровідності, потрібно, щоб його кластер (або кластери) мав помітну потужність, що досягається введенням цього компонента в концентрації, яка істотно перевищує перколяційний поріг. Тому, при моделюванні теплових явищ у формі важливими параметрами є не тільки скінченність кластерів, але й їх потужність.

На схемі, наведеній на рис. 4, показана типова крива зміни перколяційної характеристики суміші при додаванні в перший компонент з характеристикою 1 другого компонента з характеристикою 2. На кривих такого роду можна виділити три характерні ділянки: 1 – додавання другого компонента практично не позначається на перколяційній характеристиці суміші, що залишається такою ж, як і при = 0; 2 – “зона чутливості” – додавння другого компонента призводить до зміни перколяційної характеристики від 1 до 2; 3 – додавання другого компонента практично не позначається на перколяційній характеристиці суміші, що залишається такою ж, як і при = 1. Кут нахилу прямої, що апроксимує криву () на ділянці 2, однозначно пов'язаний із розміром “зони чутливості” і різницею в значеннях перколяційних характеристиках компонентів співвідношенням:

. (10)

Рис. 4. Схема до аналізу впливу різниці коефіцієнтів протікання на ширину “зони чутливості”

Як показує аналіз реальних кривих () для різноманітних властивостей (теплопровідності, газопроникніості, електропровідності) і різноманітних компонентів суміші розмір “зони чутливості” у значній мірі залежить також від різниці властивостей 2–1. У роботі таку залежність шукали у вигляді:

. (11)

У четвертому розділі обгрунтована застосованість підсистем моделювання на мікро и макрорівнях розробленої системи до технологічних процесів виготовлення виливків у піщаних формах різного типу: піщано-смоляній, керамічній та піщано-глинистій. Проаналізована ефективність структурних дій при різних способах лиття. Відповідно цьому розроблені методи оптимізації процесів переносу у формах різного складу.

Розроблена комп`ютерна модель оптимізації умов охолодження виливка у піщаних формах на алгоритмічній мові Visual Basic 6,0. Наведені численні приклади роботи з моделлю. Проведена оптимізація охолодження виливка в піщано-смоляній формі з метою вирівнювання швидкостей охолодження різних його частин. Результати розрахунків на моделі підтверджені лабораторним експериментом. Проведена оптимізація охолодження виливка в керамічній формі з метою вирівнювання інтенсивностей газових потоків крізь стрижень. Результати розрахунків на моделі також підтверджені експериментом.

За допомогою створеної моделі проведений розрахунок товщини прошарку облицювання для лиття в облицьований кокіль чавунного виливка. Результати оптимізації підтверджені якістю виливків та його мікроструктурою, яка відповідала завданню на оптимізацію.

Використання створеної в роботі універсальної схемотехнічної моделі для оптимізації охолодження відповідального чавунного виливка “Рукав” радіально-свердлильного верстату, 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 в ДП “Станколіт” ВАТ “Одеський завод радіально-свердлильних верстатів”. Нові наукові розробки впроваджені в навчальний процес при вивченні дисципліни “САПР об'єктів машинобудування” в Одеському державному політехнічному університеті.

ВИСНОВКИ

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 об`єкти, 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, бар`єрів, холодильників, голчастих домішок, тощо. Модель об`єкта 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 зв`язків між вузлами електричної схеми, кожен з яких відповідає, наприклад, зерну термостійкого наповнювача. Після кожної ітерації моделювання за сигналом відповідних блоків включаються додаткові зв`язки, 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 5353, 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 зім'яття зв'язуючого 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. Комп'ютерним 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.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

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 придаёт 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 путём, 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 даёт 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 путём совершенствования технологических процессов литья за счёт 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 счёт 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