Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕЛЕЧЫ. Проблема повышения эффективности машиностроительного производства во многом определяется качеством и себестоимостью изготовления литих заготовок деталей машин. Под качеством отливок елодует иметь ввиду наличие нєоОходимііх свойств будущей машиностроительной детали. Среди многих показателей для ответственных отливок главішм является ресурс ее работы. Ресурс работы оценивается весьма приблизительно из-за неопредвлешюсти развития и степени опасности дефектов в отливке, главным, образом усадочного происхождения.
Все эти проблемы повышения качества, снижения затрат на исправление дефектов и сокращения расхода материалов взаимосвязаны между собой, но решаются раздельно из-за несовершенства представлений о формировании структуры и свойств литой детали, факторов, определяющих ресурс работа литой детали, несовершенства закономерностей, описывающих эти сложные процессы. Таким образом, проблема повышения работоспособности литой детали непосредственно связана с совершенствованием представлений и математических моделей протекания разнородных литейных процессов, описывающих формирование отливки.
Трудности управления качеством стальных отливок связаны с одновременным протеканием разнородных и взаимосвязанных литейных процессов, совокупный анализ которых представляет .весьма трудную задачу. Эта проблема может быть решена только на основе теории, позволяющей разработать комплекс математических моделей, учитывающих взаимное влияние или совместное протекание литейных процессов, при условии представления отливки как единой системы. Особую актуальность эта проблематика приобретает для крупных стальных отливок ответствешюго назначения.
Проблемо повышения отдельных параметров качества стальных отливок посвящены многочисленные исследования. Теоретические и прикладные вопросы технологии стального литья, широко отражены в работах: Г,Ф.Баландина, П.Ф.Василевского, И.В.ВаЛисовского, Л.Е.Войиикэ. И.В.Грузных, Б.Б.Гуляева, В.М.Голода, В.А.Денисова, В.А.Ефимовз. 0.".Магницкого, Л.Я.Козлова. Ю.А.Нехендзи, А.А.Риязікопз и многих других.
Рассматриваемые в работе тиші отліток характеризуется орапмитолыю большими габаритными размерами при относительно
небольшой толщіше стенки и требуют расчетов условий питания для достижения необходимой плотности и свойств металла в отливке. В раде случаев, для более глубокого исследования, опыты и расчетные методики осуществлялись применительно к отливкам небольшой мзссы, но которые являются аналогами крупных отливок по действию механизмов образования тех или иных дефектов.
Литые детали подвергаются действию високих напряжений и циклических нагрузок и имеется опасность их выхода из строя вследствие зароздения и распространеїшя устзлостішх трощин, из-за наличия дефектов усадочного происхождения. В этих отливках не допускаются крупные усадочные раковины и горячие трещины, а пористость и изменение структуры, которые неизбежно имеют место в отливках, должны быть критически оценены. Эта оценка в виде прогнозного распределения механических свойств будуюцей детали, на стадии конструкторско технологического проектирования, должна определить основные положения разработки технологического процесса ее изготовления.
Наиболее чувствительной характеристикой опасности дефектов является сопротивление разрушению в виде К1с или его аналога RlQ. Прогнозное распределение этой величины в сечении отливки или экспериментальное ее определение должно оценить каэдый локальный участок на предает распространения в нем возможной усталостной трещины.
Для отказа от способа проектирования, заключающегося в разработке технологии традиционным способом с последующим контролем ее вычислительными средствами, необходимо разработать модель вычисления условий питания и алгоритм реализации расчетных условий наиболее рациональными средствами с учетом действия разнородных литейных процессов.
Сложность литейных процессов и большие отклонения в условиях формирования литого металла в различных частях отливки требуют системного (многоуровневого ) подхода при исследовании и создания сложного комплекса их математических моделей. Трудности разработки требуемого комплекса моделей литейных процессов связаны с выбором определенных допущений или упрощений, выбором числа и вида одновременно взаимодействующих факторов, возможностью ввода полной геометрической информации об отливке, ограничением памяти и быстродействия ЭВМ и других условий. Предложенная замена анализа температурных полей затвердевающей отливки на анализ полей 4
продолжительности затвердевания обеспечила рациональное сочетание разносторонних требований к моделям литейных процессов. Модель вычисления условий питания таю» требует разработки способа декомпозиціш отлігоки. способного целиком описнвать геометрическую информацию об отливке и изменять размеры элементов в ходе расчетов. Разработанная система декомпозиции отливки и комплекс математических и программна моделей позволяют учитывать в масштабе каждого малого объема Факторы определяющие ого ' заполнение, затвердевание, питание, деформацию.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью настоящей диссертационной работа является обеспечение качестве крупных стальних отливок за счет сокращения дефектов усадочного происхождения, экономии материалов и снижения трудоемкости изготовления путем повышения уровня конструкторско- технологического проектирования литых деталей на основе разработанного комплекса вычислительных моделей и проектирующих алгоритмов.
НАУШАЯ НОВИЗНА рг.боты заключается в разработке принципов объединения математических моделей разнородных литейных процессов на основе замены анализа температурных полей затвердевающей отливіси на анализ полей продолжительности затвердевания отлшзки, состоящей из элементов декомпозиции. Эта замена позволяет учитывать все Факторы, влияющие на заполнение, затвердевание, деформацию и питание отливки в масштабе малых объедав, на которые она условно расчленена. Условием связи мевду единицами расчленения предложен относительный временной градиент затвердевания, который является критерием оценки направленности затвердевания, прогноза распределения механических свойств и основой для вычисления технологических параметров питания отливки. В том числе установлено:
Распределение характеристик сопротивления разрушению материала в рассматриваемых сечениях отливки для локальных ее участков можно прогнозировать по взаимосвязям с расчетными параметрами кристаллизации, от которых зависит распространение пористости.
Возникновение горячих трещин определяется силовым взаимодействием сопряженных частей отливки с изменяющимися упругостью и вязкостью. 'Разработал метод экспериментального определения упругих и гшзких свойств в зависимости от температури. 'Лт.ольз'.ігоіг.Кі -jthx зависимостей и разработанной математической
модели напряженно-деформированного состояния отливки, позволяет определить место возникновения горячих трещин и назначить мероприятия, предупреждающие их образование.'
При сифонном заполнении отливки происходит значительный разогрев частей формы в местах подводз, что приводит к образованию отрицательного температурного градиента в отливке. Одновременно возникают благоприятные, с точки зрения питания, струи металла, выносящие горячий металл в верхние горизонти полости формы, а при толщинах свыше 80 мм имеет место сильное положительное влияние процесса естественной конвекции, что вызывает, в результате, значительный положительный временной градиент затвердевания. Показано, что ярусные литниковые системы мзнее рациональны, чем сифонные, дающие вертикальную струю в полости формы.
Разработаннзя модель вычисления условий питания позволяет определять рациональные» средства управления затвердеванием без предварительной разработки литейной технологии традиционными средствами.
Представляя отливку в виде множества объемных элементов, возможно учесть влияние условий заполнения на затвердевание и питание, так как в масштабе каждого малого объема, с достаточной для практики точностью, учитываются конкретные параметры (продолжительность протекания металла при заполнении отливки, металлостатическое давление, наличие холодильников и др.) Учитывая эти параметры каждого объема, вычисляют потребление ими питающего металла во времени, что позволяет рассчитать оптимальную форму горизонтального сечения, число и размеры совместно работающих прибылей, требующих минимального расхода металла.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Предложено замэнить анализ температурных полей затвердевающей отливки на анализ полей продолжительности затвердевания, где время затвердевания играет объединяющую роль совместного влияния тепловых и гидравлических параметров.
-
Для оценки .направленного затвердевания предложен относительный временной градиент затвердевания , через который устанавливается связь условий питания, уровня пористости и механических свойств. Расчет полей временного градиента для любого сечения будующей отливки позволяет прогнозировать распределение в ней механических свойств.
3.Предложена модель вычисления параметров питания, не 6
требующая предварительной разработки технологии.
4. Предложено рассматривать конструкцию отливки как сложную
взаимосвязь участков отливки, обладающих свойствами реологического
тела, что позволило разработать метод расчета иапряженно-
деформяровзтюго состояния. Он позволяет достоверно прогнозировать
факт появления горячей трещины в отливке.
5. Установлены новые особенности процесса заполнония,
связанные с движением жидкого металла в полости фэрмы и выявленном
динамического противодавления втекающей струи.
б.Предложена система декомпозиции отливіси на малые объема, обладающая свойствами изменять один из геометрических размеров узла в ходе процесса вычисления условий питания.
7. Разработана система проектирования параметров питания, которая учитывает особенности ззполнешія и затвердевания, решает задачу распределения технологических средств управления затвердеванием, расстановки прибылей л питания отливка группой прибылей.
В результате решена научно-техническая проблема, имзицая важное народно - хозяйственное значение: повышение качества ответственных отливок для энергомашиностроения, работавших в условиях тяжелых динамических нагрузок. Разработангаш модели и метода проектирования составляют достаточно полную систему конструкторско-тсхнологического проектирования изготовления отливок, что является содержанием настоящей диссертационной работы.
Основными практическими результатами работа является комплекс методик и программных моделей проектирования технологических параметров:
модель взаимосвязи механических свойств стали и гористости с временным градиентом затвердевания; методика прогнозирования распределения механических свойств в заданных сечениях отливки на стадии коиструкторско-технологического проектирования; рзсчзтко-экспериментальная методика определения упругих и вязких свойств металла отливки при окосолидусиых температурах; модель процесса заполнения отливки из стопорного ковша через литниковую систему; уігшерсзльная модель вычисления параметров питания и ее реализация для получения плотными протяженпш отливок; система проектирования наилучших технологических параметров питания отливки, распределения группы прибылей, определения их числа и формы сечения с учетом их
совместной работы;
Использование этих результатов позволило устранить брак по пористости, отыскать эффективные способы снижения брака по горячим трещина, постоянно экономить расход жидкого металла для крупных отливок, снизить затрата на исправление дефектов при переходе на литнихоьые система предложеной конструїсции.
Экономический эффект от внедрения за период 1970-1990 гг. составляет около I млн.руб.
Работа выполнялась на кафедре "Машины и технология литейного производства" Санкт-Петербургского института машиностроения по координационным планам научно-исследовательских работ АН СССР 1980-1985 г. и І986-І990Г. по решению научной проблемы 2.25.1.5. "Разработка теоретических основ управления процессами формирования отливок с применением внешних воздействий" задание 05.01.06. "Разработка систем автоматизированного проектирования оптимальных технологических параметров и средств управления процессами формирования отливок, оОеспечиванцих требуеше качество отливок при минимальных и энергетических затратах" с практическим приложением на ПО "Невский завод" и других предприятиях и учебных институтах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы докладывались на 20-ти Всесоюзных, республиканских и отраслевых научно-технических съездах, конференциях и семинарах (Ленинград, Москва. Одесса, Красноярск, Киев, Волгоград, Минск, Краматорск ).
ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации отражены в монографии "Автоматизированное проектирование технологии изготовления отливок" Издательство Ленинградского университета 1987 г., двух учебных пособиях. более 60-ти научных работах и 3-х авторских свидетельствах СССР.
В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполнен них автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками института Машиностроения доц. Русиновым А.П., доц. Рибачуком СИ,, Главным, металлургом ПО "Невский завод" к.т.н. -Примаком И.Н. зам. гл. металлурга Назаровым В.И. инж. Крейморуаном Г.М. к.т.н. Друаввским Н.А., сотрудниками кафедры "Теория технология литейных сплавов " СПГТУ. При этом автору принадлежит постановка проблемы вцелом и задач экспериментальных исследований, разработка методик проведения экспериментов, обработка и анализ результатов, руководство и непосредственное участие во внедрении результатов.
Автор считает приятной обязанностью поблагодарить научных кон-8
сультантов д.т.н.,проф. Б.Б.Гуляева, д.т.н.,проф. И.В.Грузных.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов и трех приложений; содержит 232 страницы матиногатсного текста, 93 рисунка, 9 таблиц, библиографию из 170 наименований.