Распределение прибылей на крупных стальных отливках с помощью ЭВМ
Технико-экономические показатели литейного производства в значительной степени определяются технологией изготовления отливок, высокое качество которой достигается путем длительной отработки в производстве и, как правило, не является оптимальным. Организация машинного способа разработки технологии позволяет выбрать наилучший вариант на стадии подготовки производства.
В систему машинного проектирования питания отливок одним из основных ее элементов входят установление оптимального расположения прибылей. Для этого необходимо проанализировать различные варианты распределения прибылей и выбрать наилучший. Формирование вариантов осуществляется по принципу последовательного удлинения прибылей. Для каждого варианта анализируется величина площади поверхности раздела отливка — прибыль 5 с целью нахождения минимальной. Вариант с минимальной площадью поверхности раздела считается наиболее экономичным с точки зрения расхода металла и, следовательно, наилучшим.
Основой расчета является математическая модель теплового действия прибыли; при формировании каждого варианта распределения осуществляется многократное обращение к этой модели; по ней рассчитываются длина и ширина с нижнего основания прибыли и длина прилегающего промежутка между прибылями.
Расчет длины промежутка между прибылями складывается из расчета длины зоны термического влияния рассматриваемой прибыли и длины зоны влияния следующей прибыли. В литературе имеются эмпирические соотношения для определения длины зоны влияния отливок типа «плита» или «брус».
В условиях фасонного литья с изменяющейся геометрией практика располагает только качественными представлениями. Точный расчет длины зоны влияния прибыли для этого случая весьма сложен и требует больших затрат машинного времени.
Для упрощенного расчета длины зоны влияния прибыли введено формальное понятие — запас направленности затвердевания Р, величина которого определяется произведением длины зоны влияния прибыли в функции от времени затвердевания начального сечения /=/(т) на относительный временной градиент затвердевания, выражающий уровень направленности затвердевания в зоне влияния.
Относительный временной градиент является, в свою очередь, функцией заданной величины пористости и времени затвердевания отливки, где р — пористость в конце зоны действия прибыли, %: к — коэффициент затвердевания данной формовочной смеси для стали, см/мин1/2; 1% — время затвердевания 1-го сечения отливки, мин.
В результате расчет начального запаса направленности затвердевания Р0 осуществляется следующим образом.
Вычисленный запас направленности для начального сечения зоны влияния затем расходуется на величину относительного временного градиента по мере удаления от прибыли с шагом 1 см согласно выражению
При полном расходе запаса направленности фиксируется расстояние от прибыли, т. е. длина зоны влияния. Изменение геометрии отливки учитывается как изменение продолжительности затвердевания рассматриваемого вертикального сечения отливки Ь и предыдущего, отстоящего на единицу длины а. Если время затвердевания рассматриваемого сечения меньше предыдущего, т. е. имеет место сужение отливки, то величина запаса пополняется, а следовательно, зона влияния прибыли увеличивается. Таким же образом учитывается увеличение толщины отливки в зоне действия прибыли, что приводит к сокращению зоны влияния прибыли. В результате для расчета зоны влияния прибыли имеем дело только с анализом временных полей затвердевания. Это позволяет учитывать особые факторы, влияющие на величину зоны действия прибыли через изменение продолжительности затвердевания отдельных сечений отливки.
Аналогично рассчитывают длину зоны влияния прибыли от границы смыкания двух зон, идущих навстречу, до края второй прибыли. При этом запас направленности вычисляют в конце зоны влияния, что позволяет определить координату начала второй прибыли. Эти операции повторяются столько раз, сколько помещается прибылей на отливке.
Вариант распределения прибылей считается сформированным, если край последней прибыли близок к координате конца отливки. Если это условие не выполняется, то вариант не анализируют и согласно алгоритму формируется новый вариант.
Для формирования исходной информации отливка расчленяется на участки. Длины участков, расположенных в верхнем слое отливки, и время их затвердевания являются исходными данными для расчета по описанному алгоритму. Поскольку заранее неизвестно, в каком месте отливки будут установлены прибыли (т. е. верхняя горизонтальная поверхность участка может быть как охлаждаемой, так и неохлаждаемой), в программу вводятся два массива времен затвердевания, соответственно. Это время вычисляется с учетом теплоаккумулирующей способности формы, температуры перегрева заливаемого металла над ликвидусом и скорости заливки в предшествующей программе системы.
С целью сравнения результатов машинного распределения прибылей и традиционного «ручного» были просчитаны входные данные для отливок, изготовленных в ПО «Невский завод» по имеющейся технологии. Результаты расчета показаны на рис. 3.
Из приведенного сопоставления видно, что найденные с помощью ЭВМ новые, более экономичные варианты распределения прибылей позволяют снизить расход металла на прибыли для разных отливок до 10 %.