Тепловые процессы формирования отливок, страница 10

Рис. 51. Схема теплоотвода от объемов трех типовых отливок плоской стенки, протяженного цилиндра, шара

На основании изложенного введено понятие приведенной толщины отливки, равной отношению объема к поверхности: . Для трех рассматриваемых геометрических тел приведенные толщины будут соответственно равны: для плоской стенки , т.е. половине толщины плоской стенки; для цилиндра , т.е. половине радиуса цилиндра; для шара , т.е. одной трети радиуса шара.

Таким образом, расчеты длительности затвердевания целесообразно проводить для приведенной толщины отливки. И если время затвердевания выразить из закона квадратного корня , то . Для плоской стенки время затвердевания составит , для цилиндра , а для шара . Если время затвердевания плоской стенки принять за единицу, то соответствующие продолжительности затвердевания в относительных величинах для цилиндра и шара составят: .

Необходимо иметь в виду одно существенное ограничение для применения параметра приведенной толщины отливки для сложных по геометрической форме отливок – этот параметр применим лишь для отливок с малой разницей в толщинах стенок. При большой разнице толщин стенок, при наличии тепловых узлов в отливке приведенная толщина должна рассчитываться не для всей отливки, а для наиболее массивной части, для теплового узла отливки.

Рассмотрим специфику затвердевания некоторых часто встречающихся геометрических форм и конструкций отливок. Так отливки квадратного сечения по условиям затвердевания различаются лишь в начальной стадии; в дальнейшем же их затвердевание уподобляется затвердеванию цилиндрических отливок. Наглядно это положение иллюстрируется схемой затвердевания на рис. 50, где изображены линии изосолидусов по мере хода затвердевания и приближения к оси отливки.

Весьма распространенными конструктивными элементами отливок являются различные сопряжения стенок, а также переходы от одних толщин стенок к другим. На примере анализа хода затвердевания отливки квадратного сечения (рис. 50) видно, что во внутренних углах отливки затвердевание ускоряется, поскольку проявляется теплоотвод отливки в двух направлениях: по горизонтальной и вертикальной осям. Соответственно затвердевание отливок во внутреннем углу (относительно формы) замедляется, вследствие прогрева угла формы с двух направлений – рис. 52.

С учетом рассмотренных особенностей затвердевания металла в наружном и внутреннем углах отливок можно прогнозировать ход затвердевания и места вероятного расположения усадочных дефектов в сопряжениях и конструкциях литых деталей. На рис. 53 схематично изображены зоны отливок, затвердевающие в последнюю очередь, а, следовательно, и места вероятного образования усадочных дефектов для L, Т и Х-образных сопряжений.

В L-образном сопряжении двух примерно равных по толщине стенок зона металла затвердевающего в последнюю очередь смещена к внутреннему углу отливки, и здесь вероятно образование усадочных дефектов. Для Т-образного сопряжения такая зона по аналогичному подходу имеет еще большие размеры, а значит и более вероятны усадочные дефекты. И максимальная величина незатвердевшей зоны к моменту затвердевания вертикальных и горизонтальных стенок имеет место в Х-образном сопряжении, где и максимальными будут дефекты усадочного характера.

Рис. 53. Схема затвердевания и места образования усадочных дефектов в L-образном (а), Т-образном (б) и Х-образном (в) сопряжениях стенок

3.4. Управление процессами затвердевания и охлаждения отливок

Управление затвердеванием и охлаждением отливок состоит в умелой разработке технологии для каждой конкретной отливки и организации технологического процесса таким образом, чтобы по мере необходимости обеспечить более высокие или медленные скорости затвердевания и охлаждения отливок или их отдельных частей.