Содержание к диссертации
Введение
1. Пути повышения эффективности функционирования САПР в литейном производстве 13
1.1. Применение САПР при разработке технологических процессов получения отливок 13
1.2. Сравнительный анализ программных продуктов, используемых в САПР литейных технологий 24
1.3. Цели и задачи исследования 36
2. Разработка математического обеспечения процесса затвердевания корпусных отливок 38
2.1. Модели тепловой задачи процессов затвердевания 38
2.2. Модели усадочной задачи процессов затвердевания 49
2.3. Оценка значимости факторов, влияющих на качество корпусных отливок ответственного назначения, получаемых ЛВМ с использованием направленного затвердевания 55
2.4. Моделирование тепловых и усадочных процессов затвердевания отливки «Корпус» 62
2.5. Построение оптимизационной модели технологического процесса ЛВМ отливки «Корпус» на этапе «заливка-затвердевание» 71
2.6. Разработка методики оптимизации литейной технологии на этапе «заливка-затвердевание» 76
3. Разработка информационного обеспечения для САПР литейного производства корпусных отливок, изготовляемых методом ЛВМ 81
3.1. Структуризация производства корпусных отливок, изготовляемых методом ЛВМ 81
3.2 Формирование базы данных для оптимизации технологического процесса изготовления методом ЛВМ корпусных отливок ответственного назначения 83
3.3. Разработка программного комплекса оптимизации ТП
изготовления корпусных отливок направленным затвердеванием 101
4. Реализация результатов, полученных в ходе оптимизации технологии изготовления отливки «Корпус» 106
4.1. Применение разработанного программного и информационного обеспечения при проектировании ТП изготовления корпусных отливок 106
4.2. Анализ эффективности разработанного программного комплекса по результатам реализации ТП 112
Заключение 117
Литература
- Сравнительный анализ программных продуктов, используемых в САПР литейных технологий
- Модели усадочной задачи процессов затвердевания
- Формирование базы данных для оптимизации технологического процесса изготовления методом ЛВМ корпусных отливок ответственного назначения
- Анализ эффективности разработанного программного комплекса по результатам реализации ТП
Введение к работе
В настоящее время отработка технологии изготовления сложных заготовок в литейном производстве, например корпусов, работающих под высоким давлением рабочей среды, как правило, производится методом проб и ошибок. Причиной этого является чрезвычайная сложность и недостаточная изученность процессов, происходящих в отливках во время затвердевания.
Учитывая значительные материальные и временные затраты при разработке технологии, создание эффективной методики оптимизации процессов затвердевания является важным вопросом. Как показывает практика на ряде предприятий, применение систем автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП) позволяет значительно снизить расходы и время на проектирование технологических процессов (ТП) литья. Однако на сегодняшний день методы и алгоритмы, применяемые в САПР литейных технологий, разработаны не в полном объеме и нуждаются в постоянном развитии.
Таким образом, актуальность темы исследования заключается в необходимости совершенствования эффективности использования САПР ТП в литейном производстве.
Работа выполнена в рамках госбюджетных тем ГБ 96.26 «Исследование процессов затвердевания металлических и неметаллических материалов» (№ гос. регистрации 01.9.60012544); ГБ 98/13 «Создание учебно-научного центра «Металлургия», подраздел «Физические основы моделирования и информационного обеспечения САПР технологических процессов получения структуры и свойств металлических материалов» (№ гос. регистрации 01.9.90001631; ГБ 2004/42 «Процессы получения литых заготовок с заданными свойствами»; в рамках хоздоговора с Воронежским региональным научно-координационным центром «Ренакорд», х/д 4/00-ц «Разработка системы автоматизированного проектирования технологического процесса литья точных заготовок для нефтегазового оборудования».
Цель и залачи работы. Целью научного исследования является разработка моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования на этапе «заливка-затвердевание» технологического процесса изготовления корпусных отливок ответственного назначения, получаемых методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) с использованием установки направленного затвердевания.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ современного состояния САПР в литейном производстве и выявить перспективные направления повышения эффективности функционирования таких систем;
построить модели зависимости времени затвердевания и уровня дефектов корпусных отливок от наиболее важных технологических параметров, выявленных при оценивании их значимости;
построить оптимизационную модель, позволяющую при условии минимального времени затвердевания и заданного уровня дефектов находить оптимальные термодинамические параметры технологии на стадии затвердевания отливки;
разработать методику и алгоритм автоматизированного проектирования технологии на этапе «заливка-затвердевание», использующие специализированную базу данных (БД), учитывающую специфику ТП ЛВМ;
сформировать структурно-временную схему ТП ЛВМ для изготовления корпусных деталей и на ее основе определить структуру информационного обеспечения (ИО) комплекса моделирования и оптимизации литейной технологии;
разработать программное обеспечение (ПО) оптимизации термодинамического режима ТП ЛВМ с использованием установки направленного затвердевания на этапе «заливка-затвердевание».
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории управления большими системами, теории вероятности и математической статистики, теории моделирования и оптимизации, а также методы литья по выплавляемым моделям, металлографии и химического анализа.
Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
комплекс регрессионных моделей зависимости времени затвердевания и уровня дефектов корпусных отливок от наиболее значимых параметров ТП, отличающийся возможностью прогнозирования развития усадочных процессов;
оптимизационная модель ТП изготовления корпусных отливок методом ЛВМ с использованием установки направленного затвердевания на этапе «заливка-затвердевание», позволяющая задавать различные уровни дефектов и находить оптимальные сочетания температурно-временных параметров технологии;
методика автоматизированного проектирования литейных технологий на этапе «заливка-затвердевание», отличающаяся универсальностью и применимостью к различным способам литья и конфигурациям отливок;
алгоритмы моделирования и оптимизации процессов затвердевания корпусных отливок, позволяющие учитывать в процессе работы наиболее значимые параметры литейной технологии. Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации методы, модели и алгоритмы автоматизированного проектирования технологии на этапе «заливка-затвердевание позволяют существенно сократить время и материальные ресурсы на отработку технологического процесса литья корпусных деталей.
Предложены структура, состав, а также разработаны информационное и программное обеспечение оптимизации, дополняющие и расширяющие возможности САПР литейной технологии на базе комплекса «ПОЛИГОН».
Предложенная методика автоматизации проектирования была использована на Воронежском механическом заводе при разработке технологии изготовления корпусной отливки ЛВМ на установке направленного затвердевания.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2000); на XXXII-XXXV научно-технических конференциях сотрудников, студентов ВГТУ (Воронеж, 2002-2005); на научно-практических семинарах «Новые подходы к подготовке производства в современной литейной промышленности» (Санкт-Петербург, 2004, 2005).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 10 печатных работ. В работах [1,4] показана сложность поиска оптимальных вариантов технологии литья в реальном производстве без использования средств автоматизации; в работах [2,3,5,6] представлены результаты двухмерного моделирования процессов затвердевания корпусных отливок, изготовляемых методом ЛВМ. В работах [7-10] обсуждаются вопросы трехмерного моделирования процессов затвердевания, а также проблемы, касающиеся создания универсальной методики автоматизированного проектирования литейных технологий на этапе «заливка-затвердевание». Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 133 страницах; содержит 44 рисунка, 15 таблиц, библиографический список из 131 наименования и приложение.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи работы, методы решения сформулированных задач, отмечены основные результаты исследования, выносимые на защиту; определена их научная новизна и практическая значимость; приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.
В первой главе приводится краткий обзор литературных источников по теме диссертации, выполнен критический анализ применяемых методов разработки новых технологий литейных процессов.
В настоящее время происходит интенсивное развитие информационных технологий. Это открывает неограниченные возможности использования компьютерной техники в САПР литейных технологий. Сложность использования этих способов состоит в неполноте математического описания технологических моделей процессов литья и недостатке информационного обеспечения, позволяющего проводить оптимизацию технологии. Это является серьезным препятствием, так как использование метода проб и ошибок зачастую оказывается вполне достаточным для обеспечения некоторого уровня качества.
В главе предложена общая схема системы автоматизации разработки технологического процесса ЛВМ, одним из разделов которой является анализ и оптимизация процесса перехода сплавов из жидкого состояния в твердое в условиях керамической формы. Далее приводятся существующая и предлагаемая методики автоматизированного проектирования литейной технологии на этапе «заливка-затвердевание».
Проведен сравнительный анализ российских и зарубежных систем, использующихся для автоматизации проектирования литейных технологий на этапе заливки и затвердевания. На основе этого анализа было принято решение об использовании в качестве программного инструмента российской конечно-элементной системы САМ ЛП «Полигон», позволяющей проводить расчеты температурно-фазовых полей и усадочных дефектов применительно к случаю изготовления отливки направленным затвердеванием методом ЛВМ. Рассмотрены возможности программы и сделаны выводы о целесообразности ее использования.
В заключительной части главы поставлена цель и определены задачи исследования.
Во второй главе представлен процесс оптимизации этапа «заливка-затвердевание» технологического процесса получения корпусных отливок методом ЛВМ на установке направленного затвердевания.
Выполнено ранжирование и определены весовые коэффициенты параметров технологического процесса, влияющих на конечное качество литья. Оценка значимости факторов проводилась в соответствии с экспертными оценками специалистов-литейщиков Воронежского механического завода и позволила в дальнейшем при моделировании изменять только значимые технологические параметры, что значительно сократило общее время расчетов.
С использованием САМ ЛП «Полигон» проведены расчеты времени затвердевания и уровня усадочных дефектов корпусной отливки ответственного назначения с учетом изменения наиболее значимых параметров технологии. На основании полученных данных построены модели зависимости времени затвердевания и уровня дефектов в двух точках отливки от термодинамических параметров, а также оптимизационная модель, позволяющая задавать различные уровни дефектов и проводить оптимизацию температурно-временных параметров технологического процесса изготовления корпусных отливок методом ЛВМ с использованием установки направленного затвердевания.
В результате проведенной работы была разработана методика автоматизированного проектирования и оптимизации технологии изготовления отливок на этапе «заливка-затвердевание»
В третьей главе разработана структурно-временная схема технологического процесса ЛВМ с целью детального представления всех операций, производимых с момента принятия решения об изготовлении литой детали до ее передачи в цеха механической обработки и сборки. На схеме показаны временные отрезки каждого из этапов, что дает возможность установить, какие процессы наиболее трудоемки и за счет чего можно сократить технологический цикл.
Для эффективного использования САПР ЛП необходимо четкое представление всех операций ЛВМ и наличие информации о параметрах, используемых в производстве. С этой целью была разработана база данных, позволяющая проанализировать влияние технологических факторов на качество корпусных отливок, а также проводить оптимизацию процессов затвердевания металла в условиях керамической оболочковой формы. Выполнены анализ и экспериментальные исследования технологических операций процесса ЛВМ, свойств литейных материалов, используемых в производстве. База данных включает в себя: химические составы сталей и сплавов, их механические и литейно-технологические свойства; теплофизические свойства материалов, применяемых в технологии ЛВМ; описание технологических режимов изготовления отливок методом ЛВМ; библиотеку технической документации, ГОСТов и стандартов на продукцию литейного производства. Сформированная база данных позволяет дополнять недостающие теплофизические параметры при использовании САМ ЛП «Полигон». Все блоки базы данных открыты для расширения и совершенствования.
В заключительной части главы разработана структура программного комплекса анализа и поддержки принятия решений в ходе автоматизированного проектирования ТП ЛВМ. В результате работы с таким программным комплексом для обычного пользователя появляется возможность проводить оптимизацию технологии в простом диалоговом варианте, т.к. настройка системы является задачей эксперта.
В четвертой главе представлена экспериментальная часть работы.
Разработан механизм взаимодействия математического, программного и информационного обеспечения в процессе проектирования технологии ЛВМ корпусных отливок.
На основании достаточной сходимости расчетных и экспериментальных данных были подтверждены ранее сделанные выводы об эффективности и актуальности методики.
Проведены оценки эффективности использования комплекса автоматизированного проектирования в реальном производстве. Установлено, что при использовании предлагаемой методики временные и материальные затраты могут быть снижены на 20.. .50%.
Исследованы химический состав и механические свойства отливок, изготовленных по оптимизированной технологии. Установлено, что макроструктура материала отливок плотная, литейные дефекты усадочного происхождения отсутствуют. Микроструктура, химический состав и механические свойства отливок соответствуют стали ВНЛ-1 в термообработанном состоянии.
В заключении приводятся основные результаты работы. За помощь, оказанную при выполнении исследований, автор выражает глубокую благодарность специалистам ЩІИИМ (г. Санкт-Петербург), сотрудникам отдела главного металлурга Воронежского механического завода, преподавателям и аспирантам кафедр ФХТЛП, КИПРА и ТАСЭМ ВГТУ.
Сравнительный анализ программных продуктов, используемых в САПР литейных технологий
Учитывая значительное количество доступных на сегодняшний день систем, предназначенных для автоматизированного проектирования литейных технологий, проведем их сравнение по функциональности, универсальности, стоимости, приспособленности к условиям производства, степени интеграции с другими системами и другим факторам.
ProCAST [106, 107] - один из наиболее функциональных на сегодняшний день пакетов моделирования литейных процессов, разработанный корпорацией UES, Inc., США. ProCAST в полной комплектации состоит из восьми модулей: Thermal Analysis (тепловой анализ), Fluid Analysis (анализ потоков), Meshing-MeshCAST (генератор сетки). Radiation Analysis (радиационный анализ). Stress Analysis (прочностной анализ), Microstructure Modeling (моделирование микроструктур). Inverse Module (модуль инверсионного моделирования), Electromagnetic Analysis (электромагнитный анализ). ProCAST осуществляет импорт CAD-файлов следующих форматов: IGES, STL, Unigraphics, Parasolids, а также имеет прямой интерфейс двустороннего обмена данными с Рго/Е, Unigraphics и САЕ-системами I-DEAS, Patran, Ansys, Hypermesh, I fern, Gfem, Aries, Fam, Имеются средства коррекции импортированной геометрии, проверки качества разбиения и оптимизации сетки, а также автоматического контроля минимального числа элементов в тонких стенках. Для литья в песчано-глинистую форму на базе имеющейся геометрии отливки может быть реализована виртуальная модель формы с аналитическим представлением теплопроводности на границах отливки, что избавляет от необходимости строить геометрическую модель формы и уменьшает размерность решаемой задачи и время расчета. При моделировании заполнения формы решается уравнение Навье-Стокса, для моделирования свободной поверхности - задача об объеме жидкости. Можно моделировать различные типы заполнения, в том числе и при литье под давлением. Реализованы такие модели, как турбулентное течение, сжимаемые жидкости и газы, неньютоновские течения и др. В расчете процессов непрерывного литья учитываются уловленные газы и отвод газов, возможно моделирование нагнетания газа для создания избыточного давления и заполнения металлом пустот, а также центробежного заполнения, ProCAST позволяет прогнозировать микроструктуру большинства многокомпонентных промышленных сплавов, используя детерминистическую модель, объединяющую макроанализ процесса теплопереноса во всех частях отливки с зарождением и ростом зерен. ProCAST также предоставляет возможность инверсионного моделирования, заключающуюся в объединении численных методов с термоанализом для определения граничных условий и теплофизических свойств отливки и формы. Также имеется возможность расчета остаточных напряжений, пластических деформаций по специальному контактному алгоритму, обеспечивающему анализ контакта между отливкой и формой с последующим графическим выводом результатов вплоть до натеков и застывших капель. До недавнего времени ProCAST работал только на WS с различными платформами UNIX таких фирм, как HP, SGI, Sun, IBM, DEC, но с развитием WS с LA (Intel Architecture) под NT появилась версия для Windows NT. Системные требования для Windows NT: min 64Mb RAM, 500Mb на HDD.
MAGMASOFT [108] - CAM ЛП, разработанная немецкой фирмой MAGMA GmbH. MAGMASOFT основана на МКР и имеет следующие модули: preprocessor (подготовка модели), enmeshment (генератор FD сетки), simulation (расчетный модуль), postprocessor (визуализация результатов), database (база данных материалов отливки и формы). MAGMASOFT имеет средства твердотельного моделирования, а также возможность импорта файлов из CAD-систем в двух форматах - IGES и STL, прямой интерфейс с Pro/Engineer и EUCLID3, экспорт в некоторые FEA-системы. В базовом варианте MAGMASOFT позволяет моделировать литье в песчано-глинистые формы и кокиль. Для моделирования других видов литья необходимо приобретать дополнительные модули: MAGMAlpdc (литье под низким давлением), MAGMAhpdc (литье под высоким давлением), MAGMAdisa (моделирование литья в безопочные формы для линии DISAMATIC), MAGMAiron (чугунное литье). Более трехсот компаний по всему миру являются пользователями САМ ЛП MAGMA, среди них российские предприятия Газаппарат, Газмаш, АвтоВАЗ, украинский АвтоКРАЗ и большое количество зарубежных, такие как Georg Fischer, General Motors, Ford Motor, Mercedes-Benz, BMW, Honda, Volvo, Daewoo, Tatra и другие.
Модели усадочной задачи процессов затвердевания
В сплавах, используемых в литейном производстве, образование пористости может протекать по различным механизмам. В случае, применительно к большинству сплавов (стали, бронзы, алюминиевые сплавы и др.) под усадочной задачей подразумевается расчет образования пористости и раковин в сплавах с существенным значением объемной усадки при затвердевании и несущественном влиянии деформационных процессов.
Коэффициент усадки может быть различен для разных фаз, выделяющихся при затвердевании. Для учета этого используется функция Ku(Ps) зависимости коэффициента реализации полной усадки Ки от доли твердой фазы Ps. Эта функция задается в виде спектра реализации усадки, а относительная объемная усадка Vu (в долях единицы) выражается следующим образом [73, 77]: Vu = Д - Ku(Ps) -Ps + ar (То - Tt); Tt = Tliq при Tt Tliq; To = Tliq при To Tliq; Ku(Ps) = Ku(j + l) Ku l) - (Ps - Ps(i)) + Ku i) при Ps(i) Ps Ps(i + l); (2.18) Ps(i + 1)- Ps(i) Ku(i) = ЛГ«(1),Ки(2),...Л:и(п); Ku{\) = 0;Ku(l) й Ku(i + l);Ku(n) = 1; Ps(i) = Ps(l),?s(2),.,.?s(n); Ps(\) = 0;Ps(i) Ps(i +l);Ps(n) = 1, где pi - коэффициент суммарной объемной усадки при затвердевании; oti -коэффициент объемной термической усадки в жидком состоянии; То и Tt -температура в начальный и текущий момента времени соответственно; Tliq — температура ликвидуса; i, п — номер точки и количество точек в спектре усадки соответственно; Ku(i), Ps(i) — коэффициент реализации усадки и доля твердой фазы в точке і соответственно.
При решении задачи питания необходимо понимать как минимум два различных механизма образования усадочных дефектов, по одному из них
происходит образование макропористости и раковин, по второму -микропористости.
Макропористость образуется при недостатке питания (отсутствия необходимого объема для компенсации усадки) выше зеркала расплава или его условного эквивалента в двухфазной зоне [73]. Для расчета макропористости необходимо решать задачу возникновения и движения зеркал расплава, перемещение которых обусловлено объемной усадкой, а их возникновение происходит из-за формирования при затвердевании изолированных друг от друга объемов.
Микропористость образуется при недостатке давления ниже зеркала (т.е. в области потенциально достаточного питания) [73]. Наиболее адекватно распределение давления можно оценить с помощью дифференциального уравнения фильтрационного течения [71]. При падении давления ниже некоторого критического значения Ро, возникают условия для появления поверхности раздела и формирования «зародыша» микропоры, который далее будет расти в соответствии с объемной усадкой. Окончательный объем микропоры будет равен объемной усадке оставшейся жидкой части, т.е. пористость формируется по принципу усадки при полном отсутствии компенсации. Описанная модель образования микропористости является универсальной и в определенной степени так же может считаться классической [12,42].
Учитывая взаимное влияние микро- и макропористости, задачи по их расчету следует решать совместно.
Решение задачи формирования макропористости и раковин состоит в определении перемещения зеркал расплава в процессе затвердевания в каждой изолированной зоне питания [55]. Для этого необходимо: 1) выявить все изолированные зоны; 2) определить какие зоны наследуют зеркала зон-предков предыдущего шага и, с учетом наследования, в каждой зоне определить высоту зеркала Y в начале шага; 3) в каждой зоне определить эффективную площадь зеркала Sz, величину общего объема усадки AV ниже YI, перемещение зеркала AY=AV/SZ и назначить пористость для области выше Y2=Y1-AY.
Выявление изолированных зон. В самом простом случае распределение изолирующей функции {1} (вектор-столбец в терминах МКЭ) представляет собой распределение жидкой фазы {Р1}, а критерием изоляции служит падение этой функции ниже некоторой критической величины Р1о, которая соответствует полному перекрытию междендритных каналов. Более правильным будет коррекция {1} с учетом распределения давления {Р} и критического давления Ро. В этом случае для каждой строки вектор-столбца {1} можно записать: 1=Р1 при Р Ро, 1-0 при Р Ро. После назначения {1} определение зон делается прямым перебором элементов по методу «спирали» последовательно добавляя элементы (или узлы) по «неизолированным» граням. Опытным путем установлено, что быстрее работает итерационный метод с применением матриц «звезд узлов» - т.е. списков узлов окружающих каждый узел КЭ сетки. При этом алгоритм имеет незначительные отличия от метода Гаусса-Зейделя, предназначенного для решения систем линейных уравнений [60].
Определение наследования зон, начальной высоты зеркала и объема усадки. Задача наследования зон решается нахождением пересечений объемов текущих зон и зон-предков прошлого шага. Общее правило выявления единственного предка состоит в выборе самого высокого зеркала среди конкурентов и исключения всех предков с зеркалом выше, чем самая высокая точка зоны Ymax. Учитывая, что Y2 - высота зеркала в конце предыдущего шага, можно записать: Y1=Y2 при N=1; YI=Ymax при N=0, где N - количество предков зоны.
Формирование базы данных для оптимизации технологического процесса изготовления методом ЛВМ корпусных отливок ответственного назначения
Процесс изготовления модельного блока (МБ) включает приготовление модельной композиции (МК), выплавляемых моделей (ВМ) и сборку моделей в блок, рис.3.2. Модельные составы ВИАМ 102В (ТУ 6-00-0203356-13-89), Г-1М-2 (ТУ 6-00-010-5000597-94), табл.3.1;3.2.
Расплавление модельной массы осуществляется при 90-120 С. Паста приготовляется охлаждением расплава при непрерывном перемешивании в шестеренчатом смесителе. Модели получают запрессовкой пастообразной модельной массы в пресс-формы на шприц-машине ШМ.ЗС-2. Температура запрессовки 60-65 С. Готовые модели после извлечения из пресс-форм охлаждают в проточной воде до температуры окружающей среды. Сборка моделей в блоки осуществляется путем припаивания моделей детали к модели литниковой системы. Крупногабаритные модельные блоки армируются стальными каркасами по периметру. На каркас наносится слой жидкой модельной массы. Каркас удаляется после нанесения огнеупорного покрытия (оболочки).
Суспензия для оболочкоеьих форм приготовляется совмещенным или раздельным способами, рис.3.3,3.4.
Для приготовления суспензии используются следующие материалы: ЭТС-40 технический (ТУ 6-02-641-82, ГОСТ 26371-84); спирт-ректификат технический высшего сорта (ГОСТ 18300-87, ОСТ 18-121-80), или спирт этиловый (ТУ 10-033479710-91); вода обессоленная (ОСТ 92-0908-80); кислота соляная (ГОСТ 3118-77); кислота серная (ГОСТ 4204-77); кварц молотый пылевидный (маршаллит) (ГОСТ 9077-82); электрокорунд марок 24А, 25А зернистостью М7, М10} М40, М40П, М50, М7-П, №3, №5, №5Н (ГОСТ 28818-80, ГОСТ 3647-80); едкий натр (ГОСТ 2263-79); пылевидный плавленый кварц (ТУ 21-55-52-80); минеральная вата (муллитовый войлок) (ГОСТ 23619-79).
Полученная суспензия имеет следующие реологические свойства: температура суспензии 18-24 С; вязкость суспензии (для разных слоев различная). Для первого слоя: на маршалите 60-70 с, на плавленом кварце 60-70 с, на электрокорунде 80-90 с; для последующих слоев соответственно 35-45, 35-45, 30-36 с.
Суспензия должна обладать комплексом свойств: седиментационной устойчивостью, смачиваемостью поверхностей моделей и оболочек, живучестью.
Изготовление керамической оболочки. Схема подготовки присыпочного материала приведена на рис.3.5, схемы нанесения 1-го слоя и последующих слоев покрытия представлены на рис.3.6 и 3.7» соответственно.
Для обсыпки модельного блока и формирования керамической оболочки используют следующие зернистые материалы: электрокорунд белый (шлифзерно Ма 12, 25, 40, 50, 63 ГОСТ3647-80, OCT 2МТ 71-5-84, марки 24А, 25А ГОСТ 28818-90; F100, F60, F46, F36, F120 ИСО 8486-86); плавленый кварц марки ПК зернистостью 0,2-1 (ТУ 21-55-52-80). Для первого слоя керамической оболочки используют осушПоследовательность операций при изготовлении керамической оболочки: смачивание суспензией поверхности модельного блока, присыпка смоченной поверхности зернистым огнеупором, сушка каждого композиционного слоя. Последний слой оболочки наносят без последующей обсыпки зернистым материалом. Обсыпку проводят, создавая «дождь» из зернистого материала в барабанных или элеваторных пескосыпах или в псевдокипящем слое зернистого материала. енные мелкие фракции, для последующих - более крупные.
Анализ эффективности разработанного программного комплекса по результатам реализации ТП
Для получения отливок деталей «Корпус», по конструкции и габаритам близким к детали - представителю был разработан технологический процесс, в котором учтены все оптимальные температурные параметры и режимы кристаллизации, полученные расчетным путем.
Технологический процесс изготовления отливок деталей «Корпус» с использованием метода направленного затвердевания включает следующие основные этапы:
1. Изготовление огнеупорной оболочки. Керамическая оболочка на деталь «Корпус» представляет собой конструкцию, состоящую из огнеупорного материала; - лицевой слой, обращенный к металлу, имеет толщину 4 мм и состоит из смеси мелкодисперсного электрокорунда с размером частиц до 40 мкм и зернистого электрокорунда с размером частиц порядка 400 мкм; - остальные слои (с 3-го по 10-й) керамической оболочки общей толщиной - 12 мм образованы смесью мелкодисперсного плавленого кварца размером частиц до 50 мкм и зернистого плавленого кварца с величиной зерна от 400 до 1000 мкм. 2. Формовка огнеупорной оболочки
Перед заливкой предварительно прокаленная при температуре 950С керамическая форма устанавливается на поддон и формуется смесью плавленого кварца (зернистостью -1/+04) и жидкого стекла. 3. Сушка (прокалка) керамической оболочки. Заформованная керамическая оболочка прокаливается при температуре 250С.. .300С в течение 3-х часов. 4. Заливка металла в форму. Заливка керамической оболочки производится в установке направленного затвердевания УППФ- ЗМД при температуре 1590С ± 10С. 5. Вывод залитой формы из зоны нагрева.
Режим вывода залитой формы из зоны нагрева 18 мм/мин. Данный режим затвердевания отливки детали «Корпус» по расчетам является оптимальным для получения плотной структуры материала отливки с заданным уровнем механических свойств.
Изготовление деталей методом направленного затвердевания производилось в установке УППФ-ЗМД принципиальная схема которой приведена на рис. 4.2.
В водоохлаждаемой плавильной камере 1 размещены нагревательный и плавильный индукторы. Внутри нагревательного индуктора расположен полый цилиндрический концентратор тепла, изготовленный из графита, который разогревает керамическую оболочку 3, установленную на подвижный водоохлождаемый шток кристаллизатора 2. К нижней части плавильной камеры крепится водоохлождаемая форкамера, в которую опускается залитая металлом 4, 5 (верхняя и нижняя области) оболочка 3 перемещаясь вместе со штоком кристаллизатора по заданной программе.
Над нагревательным индуктором установлен на поворотном устройстве плавильный индуктор, внутри которого расположен тигель для плавки шихты.
Для термографирования процессов разогрева керамической формы до момента заливки в нее готового сплава и кристаллизации металла в процессе выведения формы из зоны нагрева в оболочковую форму монтируется вольфрам-рениевые термопары ВР-5/ВР-20, обеспечивающие высокую точность измерений. При этом с целью исключения взаимодействия с жидким металлом спаев термопар, последние вставлялись в специальные алундовые наконечники, предварительно вмонтированные в форму и выступающие внутрь ее на 3-5мм. Контроль температуры осуществлялся по шести канальному пишущему потенциометру КСП-4, отградуированному на вольфрам-рениевую термопару.
Керамическая форма была изготовлена методом выплавляемых моделей по специальной технологии и с использованием термостойких и прочных керамических материалов.
Форма устанавливается на водоохлождаемый холодильник и подается в зону нагрева. Разогрев керамической формы до температуры 950 С, разогрев и расплавление шихтовых материалов производились в вакууме при величине разрежения 2х10 4мм.рт.ст., затем в плавильную камеру напускался аргон до давления 80 мм.рт.ст. Напуск аргона в плавильную камеру производится с целью снижения угара компонентов сплава, имеющих наиболее высокое парциальное давление.
При температуре расплавленного металла порядка 1590 С и при его готовности по химическому составу с помощью поворотного механизма расплав заливался в керамическую форму. По окончании заливки включался механизм рабочего перемещения, и производилось выведение залитой металлом формы из зоны разогрева в охлаждаемую форкамеру по определенному режиму, обеспечивающему направленный характер затвердевания.
Сравнение результатов расчетов, полученных с использованием программы моделирования процесса кристаллизации металла при охлаждении формы в течение всего времени ее выведения из зоны нагрева, с экспериментальными значениями температурных полей, полученных с помощью установленных термопар, показывает, что расхождение расчетных значений с экспериментальными незначительное и составляет величину е превышающую 5%.
На рис. 4.3 показана отливка «Корпус», изготовленная из стали ВНЛ-1 на установке направленного затвердевания в соответствии с технологическим процессом. Химический состав стали ВНЛ-1 и механические свойства после термической обработки представлены в « таблицах 4.2, 4.3.
