Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы автоматизированного проектирования технологических процессов литья лопаток
1.1. Особенности технологических процессов литья лопаток с равноосной структурой 12
1.2. Сравнение методов математического моделирования и поузлового расчета процессов затвердевания отливок 19
1.3. Расчеты эффективных коэффициентов аккумуляции теплоты форм..30
1.4. Расчет начальной температуры формы при литье с применением ее тепловой изоляции 46
1.5. Уравнение теплового баланса затвердевания узла ( элемента ) лопатки и методики расчета его статей 71
1.6. Оценка непрерывности питания и формирования однородной структуры лопатки 84
1.7. Принципы структурирования программ проектирования технологических процессов литья 89
ГЛАВА 2. Разработка методик и модулей расчетов лпс для литья по выплавляемым моделям и средств воздействия на формирование газотурбинных лопаток
2.1. Типы ЛПС и основы их автоматизированного проектирования 105
2.2. Расчеты заполнения формы расплавом 115
2.3. Основы расчетов размеров прибылей 139
2.4. Расчеты размеров питателей 149
2.5. Расчеты средств воздействия на непрерывность питания участков лопатки 156
2.6. Расчеты средств воздействия на формирование однородной структуры 171
ГЛАВА 3. Модульное структурирование программ проектирования лпс и средств воздействия на формирование лопаток
3.1. Особенности прикладных проектирующих программ 192
3.2. Проектирование ЛПС для рабочих лопаток 195
3.3. Проектирование ЛПС для сопловых лопаток 217
3.4. Проектирование ЛПС для крупных лопаток 227
3.5. Проектирование средств воздействия на формирование лопаток...232
ГЛАВА 4. Модульные прикладные программы проектирования лпс для секторов сопловых лопаток
4.1. Особенности конструкций секторов и проектирования их ЛПС .258
4.2. Методика расчета затвердевания участков и узлов пера в форме со слоем керамики 262
4.3. Разработка программ проектирования ЛПС с верхней заливкой при вертикальном и горизонтальном расположении сектора 270
4.4. Блок-схема программы выбора положения сектора в форме и типа ЛПС 282
ГЛАВА 5. Разработка ппп проектирования технологических процессов литья лопаток
5.1. Основы построения ППП проектирования технологических процессов литья 289
5.2. Методы решения предпроектных задач 292
5.3. Автоматизированное формирование технологической документации.. 296
5.4. ППП для технологических процессов литья лопаток 301
Общие выводы 314
Литература
- Сравнение методов математического моделирования и поузлового расчета процессов затвердевания отливок
- Расчеты заполнения формы расплавом
- Проектирование ЛПС для рабочих лопаток
- Методика расчета затвердевания участков и узлов пера в форме со слоем керамики
Введение к работе
В отечественном литейном производстве лопаток турбин ГТД и ГТУ одной из главных проблем является повышение их эксплуатационных свойств и технико-экономических показателей производства. В значительной мере решение этой проблемы зависит от эффективности применяемых систем автоматизированного проектирования технологических процессов литья.
В настоящее время определенные успехи достигнуты в литейном производстве за счет внедрения САМ и САПР ТП. Использование таких систем для корректировки и проектирования технологических процессов и освоешія литья новой номенклатуры лопаток способствует повышению технико-экономической эффективности производства. Экономия образуется главным образом за счет сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки прошводства и его освоения, снижешія металлоемкости отливок и предупреждения образования в них литейных дефектов. Достигается это благодаря многовариантной оптимизации технологических решений на ЭВМ [ 33, 66 ]. Особое значение применеїшя САМ и САПР ТП в производстве связано с тем, что в последние годы достаточно большое внимание в отечественном авиастроении уделяется развитию и внедрению информационной поддержки всех этапов производства продукции - CALS-система [ 132 ], которая базируется на использовании различных локальных систем ( САПР-К, САПР-Т, АСУТП, АСУ различных уровней и др. ). При этом развитие любой из локальных систем, соответственно повышает эффективность CALS-системы предприятия. Однако необходимо помнить, что принятие неверных решений в САПР увеличивает риски автоматизации управления технологическими процессами.
Для технологических процессов литья наиболее рационально применение не автоматического, а автоматизированного проектирования. Это связано с необходимостью решения ряда различных, в том числе трудноформализуе-мых на ЭВМ, взаимосвязанных задач. Кроме того, предназначенная для технологических подразделений САПР ТП должна быть в достаточной степени
5 универсальной, что определяется степенью инвариантности машинных программ по отношению к рассматриваемым изделиям и процессам. К числу таких инвариантных программ относятся программные модули управления базами данных, решения задач моделирования и оптимизации процессов, формирования и выпуска текстовой и графической документации. Использование модульных программных средств сокращает затраты и сроки создания САПР, а также является необходимой предпосылкой для интеграции отдельных систем. Вместе с тем, САПР ТП должна отражать специфику технологических процессов, учитывающую особенности составляющих физико-химических, тепловых, механических и других процессов, а также литейных свойств сплавов [ 30 ]. Необходимо также учитывать особенности производства, отраслевые стандарты, нормали и др. Поэтому требуется нередко адаптация инвариантных программ к специфике конкретного производства.
Достаточно велика роль САПР ТП при производстве ответственных деталей из специальных сплавов, в частности газотурбинных лопаток и их секторов из жаропрочных сплавов [ 49, 52, 77 ]. В современном производстве основную часть лопаток турбинных двигателей и установок получают литьем по выплавляемым моделям ( ЛВМ ) в вакууме, т.к. имешю этим способом возможно получить сравнительно точную заготовку с высоким качеством поверхности, сложными внутренними полостями и требуемыми свойствами по плотности и структуре. При этом понятно, что способ ЛВМ с направленной кристаллизацией обеспечивает получение отливок с наилучшим комплексом свойств, однако себестоимость продукции при этом заметно возрастает. Поэтому основная масса лопаток изготавливается с равноосной структурой путем ЛВМ с гравитационной заливкой форм расплавом по технологиям, как с подогревом форм перед заливкой, так и с их тепловой изоляцией.
Автоматизированное проектирование технологических процессов литья лопаток связано с определенными трудностями, т.к. не создана достаточная методологическая база для расчетов заполнения форм расплавом, последовательности затвердевания и питания отливок, оптимальных размеров литгоь ково-питающих систем ( ЛПС ) и средств воздействия на питание и формирование структуры затвердевающей отливки. В результате литейщики часто вынуждены использовать директивные технологии, основанные на практическом опыте и расчетах по эмпирическим формулам. Из-за сложной конструкции лопаток и их секторов и высоких предъявляемых к ним требованиям, а также достаточно широкой номенклатуры лопаток, такой способ проектирования является ориентировочным и требует корректирования полученных результатов в процессе освоения конкретной отливки. Это приводит к неоправданному увеличению сроков технологической подготовки и материальных затрат. Кроме того, нет уверенности в том, что полученные технологические режимы литья являются оптимальными.
В настоящее время наибольшее развитие получили САМ, которые разработаны на основе математических моделей ( ММ ) затвердевания отливок, содержащих дифференциальные уравнения температурных полей отливки и формы ( первый вид ММ ) или только отливки ( второй вид ММ ), а также соответствующие краевые условия. Моделирующие системы позволяют проследить кинетики заполнения расплавом литейной формы, затвердевания отливки, усадки металла, деформащга и др., выявить образование дефектов и их положение в литой заготовке. Соответственно САМ предназначены для реализации только задач формирования отливок, т.е. являются «системами анализа». Полученный объем информации дает возможность оценить вы-бранный вариант проектируемого техпроцесса и, при необходимости, внести в него соответствующие изменения.
САПР ТП представляет собой «системы синтеза», предназначенные для прямого проектирования оптимальных технологических процессов литья. Они развиваются медленнее, что связано с отсутствием рациональных расчетных методов для этих систем. Одним из таких методов, разработанным в МАТИ в 1990-97 г.г., является метод поузлового расчета затвердевания отливок. В данной работе этот метод получил дальнейшее развитие. Основой метода служит уравнение теплового баланса затвердевания узла (элемента) от-
7 ливки в интегральном виде. Однако этого недостаточно для системы синтеза. Необходима разработка аналитических расчетов методами математической физики статей теплового баланса с учетом специфики способов литья и геометрии отливок, в частности, в формах по выплавляемым моделям [ 73, 84 ]. Для системы синтеза необходимо также создание методов анализа питания затвердевающей отливки, формирования кристаллической структуры и других процессов. В диссертации создана система синтеза для оптимизационной разработки САПР ТП литья по выплавляемым моделям газотурбинных лопаток с учетом специфических особенностей конструкций рабочих и сопловых лопаток и их секторов, а также специфики технологий ЛВМ с использованием средств воздействия на формирование бездефектного литого изделия.
Целью диссертационной работы является создание системы синтеза для разработки САПР ТП литья газотурбинных лопаток и их секторов с целью повышения эффективности технологической подготовки производства и качества литых лопаток с равноосной структурой.
При реализации этой цели получены следующие основные результаты, представляющие научную новизну:
Методики расчетов эффективных коэффициентов аккумуляции теплоты оболочки формы с разными условиями теплообмена на ее наружной поверхности ( с тепловой изоляцией, разными температурами оболочки и среды, при наличии углов с галтелями, внутренней полости, оформленной стержнем, охлаждающей подложки из чугунной дроби или керамической крошки ).
Методики расчетов охлаждения оболочки формы и внутреннего стержня до исходной температуры перед заливкой расплавом с учетом специфики конструкции формы ( незатрудненное охлаждение оболочки, соединение двух оболочек в единый керамический слой, близкое расположение двух соседних оболочек ) и условий охлаждения ( в термостате и без него, без утепления и с применением разных схем тепловой изоляции, а также охлаждающих подложек).
Развитие метода поузлового расчета затвердевания отливок класса «ло-
8 патка». Инвариантность к геометрии лопаток реализуется интегральным уравнением теплового баланса затвердевания узлов ( элементов ) отливки, составленным по принципу суперпозиций. Особенности геометрии учитываются при решении методами теплопроводности задач определения стоков теплоты из массивных частей узлов в сопряженные с ним тонкие элементы и перетоков теплоты между соседними массивами, отвода теплоты от отливки в оболочковую форму или стержень с использованием эффективного коэффициента аккумуляции теплоты оболочки ( стержня ). Новые решения получены для статей теплового баланса, определяющих отвод теплоты во внешние углы формы, галтели отливки, слои керамики и внутренние стержни.
4. Третий вид математических моделей затвердевания лопаток рабочих и сопловых и секторов последних.
Применение третьего вида ММ для расчетов прибылей разных видов и теории теплопроводности для расчетов размеров их питателей.
Методики расчетов непрерывности питания и формирования однородной структуры лопатки на основе критериальных соотношений и с учетом расчета заполнения полости формы расплавом и распределения его температуры в форме.
Система синтеза для оптимизационной разработки САПР ТП литья по выплавляемым моделям газотурбинных лопаток.
Методика выбора положения лопаток сектора в форме, на основе расчетов условий затвердевания его узлов и нетехнологичных участков пера, в которых наиболее вероятно образование дефектов, и расчетного анализа дополнительных технологических средств воздействия на возможность их бездефектного формирования.
На защиту выносятся следующие научные положения, составляющие основы результатов работы:
1. Доказано, что в расчетах продолжительности затвердевания отливок в оболочковых формах замена их эквивалентными в тепловом отношении полуограниченными формами с эффективными коэффициентами аккумуляции
9 теплоты не ограничивается рамками традиционных граничных условий теплообмена формы, а может быть использована для более сложных процессов, обусловленных геометрией отливок ( слои керамики между стенками отливки, внутренние стержни, углы с галтелями и др.) и особенностями технологических процессов ( общий теплоизоляционный чехол и дополнительная тепловая изоляция участков формы, охлаждающие подложки, неравномерная температура нагрева форм и др. );
Для разработки САПР ТП литья предложен общий метод совместного решения гидравлических задач течения расплава в каналах литейной формы, тепловых задач его охлаждения, поузлового расчета затвердевания отливок с оценкой непрерывности питания и однородности их структуры по известным критериям, решения технологических задач проектирования ЛПС и расчета дополнительных средств воздействия на формирование бездефектных отливок.
Для САПР ТП литья эффективно применение программ с модульной структурой. Важное значение имеет создание универсальных модулей, содержащих расчеты основных параметров физических процессов формирования группы отливок и используемых при проектировании их ЛПС для заданного способа литья и технологических средств воздействия на качество отливок, а также при определении режимов литья.
На примере литья секторов лопаток установлена возможность выбора положения отливки в форме на основе расчетов условий затвердевания нетехнологичных узлов и участков отливки с применением дополнительных технологических средств воздействия на их формирование.
Изложенное отражает актуальность выполненной диссертационной работы, научное и практическое значение ее результатов для развития технологии литья лопаток газотурбинных авиационных двигателей и энергетических установок.
10 ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ х - время, с;
Т (t) — температура, К ( С ); t л - температура ликвидуса сплава, С; t с- температура солидуса сплава, С; AtKp - интервал температур кристаллизации сплава (Дц, = t л -1 с), С; t кр ~ средняя температура кристаллизации сплава (t ^, = (t „ +1 с )/2 ), С; t ос - температура окружающей среды, С; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м3; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); а - коэффициент температуропроводности, м2/с;
1/7 О
Ъ - коэффициент аккумуляции теплоты, Вт-с /(м -К);
ЬЭф - эффективный коэффициент аккумуляции теплоты, Вт-с /(м -К); а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); R - термическое сопротивление, м -К/Вт. є - степень черноты;
6-толщина, м;
Ві - критерий Био; Fo - критерий Фурье; Sk - критерий Старка; Nu - критерий Нуссельта;
Ре - критерий Пекле.
Индексы у переменных: - сплав ( со штрихом ( ) - жидкого состояние; без штриха — твердое ); - форма; н — опорный наполнитель; ст - стержень; эк - эквивалентная константа отливки; к - слой керамики в форме; з - газовый зазор между отливкой и формой; из - тепловая изоляция в виде общего чехла; изд - дополнительная тепловая изоляция на оболочке; оп - охлаждающая подложка.
Сравнение методов математического моделирования и поузлового расчета процессов затвердевания отливок
Формирование фасонной отливки представляет собой сложный процесс из взаимосвязанных разнородных явлений - физических, химических фазовых, диффузионных, фильтрационных, гидродинамических и др. Большинство этих явлений связано, в первую очередь, с тепловыми процессами [ 42, 117, 118 ]. Формирование отливки начинается при заполнении расплавом каналов литейной формы, продолжается при ее затвердевании и завершается ее охлаждением. В период затвердевания происходит формирование основных свойств отливки, определяющих ее качество ( геометрия, структура, свойства поверхности, плотность, горячие трещины и др.). Поэтому очевидно, что для определения эффективных способов управления качеством и средств технологического воздействия нужно знать прежде всего взаимосвязь параметров процесса затвердевания с параметрами формирования свойств отливки [ 101].
Для комплексного изучения и проектирования технологических процессов (ТП) литья успешно применяют методы системотехники, рассматривая изучаемый объект как сложную систему, расчлененную на части и элементы разных уровней с таким расчетом, чтобы обосновать решение поставленной задачи и создать математические модели ( ММ ) процессов затвердевания и формирования литого изделия [ 3, 32,46, 103,123 ].
Математической базой для описания процессов формирования отливок служат ММ, разработанные методами математической физики и включающие уравнения температурных полей отливки и формы, питания отливки, формирования кристаллического строения, перераспределения между твердой и жидкой фазами компонентов сплава и газов, растворенных в расплаве и др. Общие ММ, наиболее полно описывающие процессы кристаллизации, представлены в работах Г.Ф. Баландина, И. Л. Воробьева, В.А. Журавлева и др. [ 6, 26, 43, 44 ]. Они определяют кристаллизацию сплава в общей постановке и описывают кинетику кристаллизации сплава и процессы образования дефектов. Следует отметить, что использование ММ такого класса позволяет проследить кинетику процессов и в полной мере провести их качественный анализ только при их корректной реализации численными методами. Все это подталкивает исследователей к ряду упрощений, что безусловно ограничивает сферу применений разрабатываемых методик. В этой связи упрощенные ММ должны быть ориентированны на конкретный технологический процесс литья и не могут, как правило, быть универсальными. Нередко при невозможности решения ММ используют критериальную оценку некоторых ее составляющих [ 122 ].
Автоматизированные расчеты литейных процессов в настоящее время осуществляются в двух основных системах [ 116]. Первая система ( система анализа ) основана на моделировании литейных процессов с использованием ММ первого и второго видов, включающих, прежде всего дифференциальные уравнения, описывающие температурные поля отливки и формы или только отливки, процессы кристаллизации, питания, образования химической неоднородности отливки и др. [ 18, 128, 129, 130 ]. Расчеты по ММ в данной системе выполняют численными методами ( МКР, МКЭ и др.). Эти системы нашли широкое применение в литейном производстве. К ним относятся такие САМ, как MAGMASoft, ProCast, WinCast, SolidCast, AFS, LWMFlow, Полигон и др. [ 16, 25, 117, 128, 131 и др.]. Компьютерный анализ конфигурации объекта проектирования, обеспечивающий постановку и численное решение задачи в областях реальной конфигурации изделия, осуществляется стандартными подсистемами геометрического моделирования ( Solid Works,
PowerShape, Компас, IDEAS, AutoCAD и др.). Программные продукты такого класса позволяют рассматривать как плоское, так и объемное изображения объекта и его сечений, а также получать требуемую для расчетов числовую информацию (объемы, сечения, размеры криволинейных поверхностей и т.д.). Встроенные в моделирующие системы блоки генераторов сеток (конечно-разностные, конечно-элементные) в автоматическом режиме решают задачу нанесения сетки на фасонную отливку.
Моделирующие программы, основанные на теориях тепловых, гидродинамических, фильтрационных, диффузионных, деформационных и некоторых других процессов, позволяют проследить кинетики заполнения расплавом литейной формы, затвердевания отливки, усадки металла, деформации и др., выявить образование дефектов и их положение в литой заготовке. Полученный объем информации дает возможность оценить выбранный вариант проектируемого техпроцесса и, при необходимости, внести в него соответствующие изменения. В результате рациональное решение определяется за счет последовательного изменения в интерактивном режиме вариантов техпроцесса [ 96 ].
При решении задач затвердевания важное значение имеет достоверность учета начальных и граничных условий ( распределения температур в расплаве и форме после ее заполнения, темпа кристаллизации и интенсивности теплообмена на границах отливка-форма, отливка-среда, форма-среда и некоторые др.). Например, моделирующие программы, в расчетных методиках которых используется постоянный темп кристаллизации, не позволяют учитывать изменение тепловыделения в заданном интервале температур охлаждения. Примененный темп кристаллизации определяется по диаграмме состояния используемой системы и положению сплава на ней, что для многих многокомпонентных сплавов, а тем более для неравновесных условий неизвестно. Обычно используют зависимости, основанные на экспериментальных данных [ 44 ], Значительное упрощение задачи достигается также за счет максимального использования условий кристаллизации, когда многомерность задачи несущественна. Аналогичные трудности встречаются при решении задачи охлаждения движущегося расплава по каналам литейной формы в строгом соответствии с дифференциальными уравнениями Навье — Сто-кса и Фурье — Кирхгофа.
Расчеты заполнения формы расплавом
Течение расплава в полости литейной формы описывается системой уравнений, включающей уравнения Бернулли ( или Навье - Стокса ) и сплошности [ 99, 125 ]. Этот метод способствовал развитию исследований процессов литейной гидравлики и расчетов оптимальных режимов заполнения форм расплавом.
В современном литейном производстве лопаток стремятся создавать для всех отливок в блоке одинаковые условия заполнения и затвердевания. Таким требованиям для ЛВМ отвечают ЛПС, с рассмотренные в п. 2.1. Для этих систем достаточно произвести расчеты течения расплава и его затвердевания для одной лопатки. Кроме того, для оценки направленности ее затвердевания, когда характер заполнения формы жидким металлом ( особенности его течения, образование шлаковых включений и т.п.) не рассматривается, целесообразно использовать обобщенные формулы с усредненными экспериментальными коэффициентами. Такому подходу к расчетам заполнения формы блока лопаток отвечает методика, предложенная Б. Б. Гуляевым [ 35 ]. По этой методике расход расплава на одну отливку определяется по известной в литейной гидравлике формуле, полученной на основании уравнения Бернулли: Q = MS V2g(H-h) , (2.1) где S - площадь узкого поперечного по отношению к потоку сечения в системе ЛС-лопатка, м . Н - гидростатический напор, м; h - расстояние от узкого сечения до поверхности расплава в форме, при нижней ее заливке, м; ц. - коэффициент расхода литниковой системы. Удобство применения методики Б.Б. Гуляева связано, в первую очередь, с упрощенной связью коэффициента расхода ц. с суммой потерь напора в кана лах формы при обеспечении достаточной достоверности получаемых результатов: ji = :7—-, (2.2) V 1 + 1 где YAi сумма потерь напора расплава в литниковой системе. Для литниковых систем выделены следующие виды сопротивлений местных и на трение: 1. Повороты каналов пов под разным углом поворота: Угол поворота 30 60 90 120 4». 0,2 0,55 1,1 1,4 2. Внезапные изменения сечений каналов сеч: Отношение площадей сечений.... 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 сеч 0,42 0,34 0,25 0,15 0 3. Переход от литниковой воронки к стояку (или прибыли) п = 0,5 , если кромки перехода не имеют скруглення. 4. Трение о стенки канала : L Ьтр \) —) (2.3 ) D где L - длина канала; D - гидравлический диаметр канала (D = 4S/P: S - сечение канала; Р - периметр ); кр - коэффициент потерь на трение, его среднее значение 0,04. Следовательно, для суммы каналов ЛПС выражение ( 2.3 ) имеет вид: L = 0,04 . ( 2.4 ) D Геометрия ЛПС характеризуется сопряжением элементов под углами близкими к 90. Поэтому в соответствии с приведенными значениями пов суммарное значение местных сопротивлений, связанных с поворотами потока, равно: 2.= Un, (2.5) где п -число поворотов на 90 на пути течения расплава в каналах ЛПС.
Отношения площадей сечений сопряженных каналов ЛПС и рабочей полости формы охватывают весь их спектр от 0,2 до 1. Исходя из этого, суммарная величина местных сопротивлений при внезапных изменениях сечений каналов определяется выражением: Х СеЧ = 0,42 mi+ 0,34 m2+ 0,25 m3+ 0,15 пи , ( 2.6 ) где m - число сопряжений каналов с данным отношением площадей их сечений: 0,2 —» гщ; 0,4 —» т2; 0,6 — т3 и 0,8 — пи.
В ЛПС ЛВМ лопаток нужно также учитывать дополнительно местные сопротивления движению расплава 2]д0і» в частности возникающие за счет применения керамических сеток (дросселей) - кс, пережимов с острыми кромками - к и некоторых других, специфических для этого вида литья сопротивлений, влияющих на расход расплава. В результате для расчета коэффициента расхода ЛС литья лопаток с учетом ( 2.4 ), ( 2.5 ) и ( 2.6 ) имеем: с = „- . — . (2.7) / 1,5+1,1 п + 2сеч + 0,04 - + 2&«ш D
Расход расплава при заливке формы связан также с общей массой блока лопаток ( Мбл )) отнесенной к числу отливок в блоке ( N0T), и временем слива расплава из литниковой чаши или воронки ( тсл). Q = Mfc/(N0T TM) . (2.8)
Время слива из литниковой воронки т определено с использованием известного из гидравлики решения задачи об истечении жидкости из сосуда через отверстие в его дне при переменном напоре [ 9 ]: Тел = -—— S —-, ( 2.9 ) где цов - коэффициент расхода при сливе расплава из отверстия в дне воронки; S0B - площадь сливного отверстия в дне воронки, м2; t h - переменная высота уровня расплава в воронке, отсчитываемая от ее дна, м; Нв - высота воронки, м; 1 У S = SBH+ h /HB(SBB - SD1I) - площадь сечения воронки на уровне h, м ; SBB и SBi!- площади верхнего и нижнего сечений воронки, м2. Решением уравнения ( 2.9 ) с учетом выражения для определения S получена формула для определения времени слива расплава из воронки: 2/5Г тсл = (SBB + 2 SBH). ( 2.10 ) З нов S0B/2 g
Совместным решением уравнений ( 2.1 ), ( 2.8 ) и ( 2.10 ) определяется диаметр сливного отверстия на дне воронки и расход расплава при заливке, которые обеспечивают заданную величину металло статического напора при условии заполнения пера лопатки снизу.
Проектирование ЛПС для рабочих лопаток
Назначение программ сводится к проектированию ЛПС с общими прибылями для литья по выплавляемым моделям рабочих лопаток, расчет компоновки блоков литейных форм на этих ЛПС, проверка образования литейных дефектов и определение условий повышения эффективности литейного производства ( увеличение производительности литья и уменьшения расхода металла ).
Рассмотрим четыре разработанные программы проектирования ЛПС для рабочих лопаток разных технологий литья и массы: LRWZOP2I и LRWZOP2 предназначены для расчета лопаток массой от 0,5 до 5 кг, получаемых по технологии ЛВМ с тепловой изоляцией и с печью подогрева форм перед заливкой соответственно ( см. приложение 1 ); LRWZKLI, LRWZKL - для лопаток до 200 г также с тепловой изоляцией и без нее соответственно. Структурирование модулей в программах осуществлено на основе принципов, изложенных в п. 2.1.
Рассмотрим блок-схему программы проектирования ЛПС литья рабочих лопаток в формах с тепловой изоляцией LRWZOP2I. По этой программе выполняются расчеты для верхней заливки форм рабочих лопаток, имеющих следующие характеристики: замок лопатки прямоугольный или трапецевидный, в которых возможна нижняя прямоугольная часть; замок может иметь замковую полку; перо лопатки - сплошное или с внутренней полостью, оформляемой при литье стержнем; возможно наличие бандажной полки. Задаются размеры замков и бандажной полки, указанные на рис. 3.L
Рассчитываются два типа общих прибылей: цилиндрической ( конусность до 5 градусов ) и дискового коллектора - прибыли со стояком. На дисковом коллекторе - прибыли возможна установка лопаток сбоку ( рис. 2.1, в ) и снизу ( рис. 2.1, г ). Определяются для цилиндрической прибыли - нижний и верхний диаметры и высота, для дискового коллектора - прибыли - диаметр и высота диска, а также диаметр и высота стояка. Находятся также размеры поперечного ( прямоугольного или трапецевидного ) сечения питателя при выбранной его длине. Рассчитываются нижний и верхний диаметры и высота литниковой воронки. Если на дне воронки имеется дроссель, то определяются число сливных отверстий и их диаметр. Выполняются расчеты температуры и времени слива расплава в литниковую воронку. Кроме этого определяются число лопаток в блоке, его диаметр, высота, масса ( вместе с ЛПС ) и КИМ. Так как рабочие лопатки являются во многих случаях не технологичными изделиями для литья ( наличие протяженного тонкостенного с малой конусностью пера и сложным по геометрии стержнем в нем, бандажной полки и др. ), то выполняются расчеты возможного нарушения питания и образования усадочной пористости или рыхлоты в бандажной полке и пере, а также — неоднородной структуры около выходной кромки пера. Если дефекты в каком либо месте лопатки подтверждаются, то в зависимости от вида дефекта и его места расположения рекомендуются прикладные программы расчетов технологических средств воздействия ( тепловой изоляции, «карандаша», технологического напуска или охлаждающих средств ). Причем, в случае использования технологии с подогревом форм перед заливкой в печи рекомендуются технологические средства характерные для этой технологии.
Для повышения КИМ целесообразно применение дополнительной тепловой изоляции оболочки формы прибыли.
Все программы имеют пополняемую базу данных, содержащую необходимые для расчетов свойства следующих материалов; - сплавов ЖС6У, ЦНК-7П, ЦНК-2Ш, IN792 и IN939; - корундовых оболочек форм и стержней; - теплоизоляционного алюмосиликатного материала KERLANE,
Приведенная на рис- 3.2 модульная блок-схема программы LRWZOP2I проектирования ЛПС иллюстрирует использование расчетных модулей простых и комбинированных в соответствии с классификатором в п. 1.7, относящихся к разным базовым литейным процессам и частным физическим явлениям. В программе, приведенной в приложении, последовательно выполняются расчеты литейных процессов и технологических задач, которым соответствуют следующие модули, тексты программ которых приведены в приложении:
VFZAM - расчет объема и поверхности замков двух типов: прямоугольного и трапецевидного ( учитывается наличие прямоугольной части в замке и внутренней полости, оформленной стержнем ). Следовательно, в этом модуле выполняются вспомогательные геометрические расчеты для характерных геометрий замков рабочих лопаток. Тип модуля СПП.
TFORMS - расчет температуры оболочки формы с тепловой изоляцией в конце ее охлаждения после выгрузки из прокалочной печи до заливки расплавом с учетом выбранной для данного участка формы схемы тепловой изоляции ( см. п. 1.4). Тип модуля УПФ.
BIOFORM - расчет критерия Bi для оболочки формы. Величина Ві используется в исходных данных в модуле BEFFIZ. Модуль относится к типу УПФ.
Методика расчета затвердевания участков и узлов пера в форме со слоем керамики
Сопловые лопатки имеют ряд особенностей, учитываемых при проектировании ЛПС, по сравнению с рабочими лопатками. Это связано, прежде всего, с отличием от компактных замков геометрии их протяженных полок, которые могут иметь высокие бортики, бобышки, узлы в пересечении пера с полкой и с другими выступающими элементами. В промышленности такие отливки, как правило, получают с применением комбинированных ЛПС с ниж ней заливкой и двухуровневым подводом расплава к нижней и верхней полкам для их питания во время затвердевания. Завышенный расход металла на элементы ЛПС приводит к снижению КИМ и его величина редко превышает 30 - 40%. Поэтому применение оптимизационных расчетов размеров ЛПС и средств воздействия на последовательность затвердевания и непрерывность питания с одновременной проверкой и устранением неоднородности структуры для таких отливок особенно актуально. Общий подход к проектированию технологии литья сопловых лопаток аналогичен рабочим лопаткам, т.е. вначале проектируется ЛПС с применением соответствующих программ, а затем при выявлении дефектов плотности и структуры по рекомендациям подключаются программы, рассчитывающие параметры технологических средств воздействия на устранение конкретного дефекта на участке лопатки. Разработаны две программ проектирования ЛПС для сопловых лопаток - это программа LSNZOMPI для технологии литья с тепловой изоляции ( приложение 2) и программа LSNZOMP - с печью подогрева форм перед заливкой.
Рассмотрим структуру программы LSNZOMPI проектирования комбинированных ЛПС с общей и местными прибылями и стояком, с нижней заливкой форм ( рис. 2.5 ) для сопловых лопаток массой более 300 г. Блок-схема этой программы представлена на рис. 3.6. Как и в случае рабочих лопаток, программа имеет модульную структуру, состоящую из универсальных и специализированных модулей.
Для работы программы используются следующие универсальные, простые модули-функции: TFORMS, BIOFORM, BEFFIZ и TAUPERSI. В структуру программы включены следующие специализированные модули для сопловых лопаток, а именно:
QNZTZSL - расчеты расхода расплава, распределения температуры расплава в пере лопатки при ее нижней заливке, а также времени и температуры заливки расплава в форму. При этом за счет определения расстояния Hg ( см. рис. 2.5 ) достигается подвод металла в полость формы пера лопатки строго снизу вверх, исключая верхнее попадание расплава и
Блок-схема программы LSNZOMPI проектирования ЛПС с общими и местными прибылями для сопловых лопаток, получаемых по технологии с применением тепловой изоляции встречу потоков в пере. Данный модуль относится к типу СПП.
SPITPOLI - расчеты времени затвердевания полки и при заданной длине рационального сечения питателя для этой полки. Минимально допустимая длина питателя определяется по количеству лопаток в блоке, а максимально возможная длина определяется временем затвердевания питателя, равным времени затвердевания верхней полки с общей прибылью. Этот модуль типа СКП используется повторно для расчета рациональной длины нижнего питателя при аналогичных условиях.
TPPOLW — расчет тепловых параметров для верхней полки, включающие температуру расплава в ней в конце заполнения формы. Тип модуля СПП.
TAUPOLI - расчет времени затвердевания верхней полки лопатки при проектировании ЛПС с местными прибылями. Модуль - СКФ.
DMSTONI - расчет размеров нижней питающей части цилиндрического стояка с учетом питания нижней полки и ее узлов. Тип модуля СКП.
KGWCPIZN - расчет критерия однородности структуры около выходной кромки пера при нижним заполнении формы расплавом. Подключается к расчетам, аналогично модулю KGWCPIZ на рис. 3.2 при необходимости проверки вероятности образования этого дефекта ( код KWCP =1). Модуль относится к типу УПФ.
DMPRONLI - расчет размеров общей прибыли ( при ТР = 1 ) и числа лопаток в блоке.
DMPRMNL - расчет размеров местной прибыли ( при ТР = 2 ) и числа лопаток в блоке.
Модули-процедуры DMPRONLI и DMPRMNL включают простые модули функции BIOFORM, BEFFIZ и TFORMS и являются комплексными.
RBLVOR — расчет размеров литниковой воронки и параметров блока лопаток. Определяются верхний, нижний диаметры и высота литниковой воронки, число и диаметры сливных отверстий на ее дне, а также габаритные размеры блока лопаток и его масса. Модуль-процедура является простым.
RMZM - расчет размеров зумпфа. Аналогичен модулю RMZMOP в блок 222 схеме на рис. 3.2, отличие состоит в том, что диаметр зумпфа выбирается с учетом диаметров верхней и нижней частей стояка.
Ввод исходных данных предусматривает выбор марки сплава, материалов формы, стержня (при его наличии ), толщин оболочки и теплоизоляционного чехла для блока форм, а также включает геометрические параметры проектируемого изделия с учетом стержня.
В результате расчетов проектировщик получает следующую информацию на ЛПС и технологический процесс литья проектируемой лопатки: - размеры общей прибыли, мм ( диаметры нижний DPRIB и верхний DPRIBw и высоту HPRIB ) или размеры местной прибыли, мм ( нижнюю DPRM и верхнюю DPRw толщину, длину LPRM и высоту HPRM, а также число местных прибылей на полке NPRM ); - толщина дополнительной тепловой изоляции для прибыли dizp, мм; - размеры стояка, мм ( диаметр DSTw и высота HSTw верхней части; диаметр DSTn и высота HSTn нижней-питающей части ); - диаметр отверстия с острой кромкой шайбы в стояке DSH, мм; - длина LPITw, ширина APITw и высота BPITw вернего питателя, мм, их количество NPITw и расстояние от соединения питателя с прибылью до верхнего сечения пера Hg, мм ( для ЛПС с общей прибылью ); - расстояние от соединения литника с местной прибылью до верхнего сечения пера Hg, мм (для ЛПС с местными прибылями ); - длина LPITn, ширина APITn и высота BPITn нижнего питателя, мм и их количество NPITn; - нижний DVRn, верхний диаметры DVRw и высота HVR литниковой воронки, мм; - число сливных отверстий на дне воронки Now их диаметр Dwo и геометрия кромки отверстия (острая или скругленная ); - температура заливки, С; - время заливки расплава в форму, с;
