Введение к работе
Актуальность темы. Развитие ГТД характеризуется ростом удельных параметров двигателя, уменьшением его массы и увеличением нагрузок на узлы и детали. Решение этих задач не возможно без повышения качества и надежности наиболее ответственных деталей двигателя: лопаток турбины, изготавливаемых из никелевых жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям. Однако на отливках этого типа обнаруживается более десятка различных литейных дефектов. Эти дефекты являются следствием множества причин. Следовательно, обеспечение требуемых свойств и качества лопаток является главной задачей производства, что достигается правильным выбором материалов и эффективностью применяемых технологических процессов их изготовления.
При проектировании технологического процесса литья по выплавляемым моделям в настоящее время используются руководящие материалы или упрощенные методики, что требует последующей корректировки и доводки полученных параметров на опытных отливках. Все это приводит к увеличению сроков подготовки производства и материальных затрат. Устранение отмеченных недостатков проектирования технологических процессов литья частично достигается использованием автоматизированных систем. В настоящее время на высоком научном уровне решены задачи начального этапа проектирования, а также затвердевания отливки. Однако вопросы выбора оптимальных режимов заполнения полости формы расплавом, определяющих основные параметры заливки: скорость подвода расплава в форму, температуру заливки и формы и исполняемые размеры литниковой системы, решены недостаточно и требуют проведения исследований.
В связи с этим возникает необходимость создания методов проектирования литниковых систем и математических моделей для решения конкретных задач с учетом специфических особенностей литья по выплавляемым моделям с целью обеспечения требуемого качества литых изделий и эффективности технологической подготовки производства.
Цель работы. Повышение качества отливок «Лопатка ГТД» за счет выбора оптимальной конструкции, размеров литниковой системы и параметров заливки на основе исследования процесса заполнения полости формы расплавом.
Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
-
Экспериментальное и теоретическое изучение тепловых и гидродинамических особенностей течения расплава в протяженной полости керамической формы переменного сечения;
-
Построение математической модели процесса заполнения и разработка методики расчета основных параметров;
-
Теоретическое и экспериментальное изучение процесса нагрева литейной формы на стадии ее заполнения расплавом;
-
Разработка методики определения теплофизических свойств литейных никелевых жаропрочных сплавов;
5. Разработка алгоритма и программного обеспечения проектирования литниково-питающих систем для отливок «Лопатка», изготавливаемых методом литья по выплавляемым моделям из никелевых жаропрочных сплавов;
6. Проведение промышленных испытаний и опробования основных результатов исследования и разработанного программного обеспечения.
Научная новизна работы.
1. Установлена взаимосвязь между конструкцией литниково-питающей системы, способом подвода расплава, размерами отливки, параметрами заливки и характером появления дефектов.
2. Исследованы режимы заполнения полости формы расплавом и установлена область гарантированного заполнения, обусловленная определенными значениями расходов, скоростей и напоров.
3. Определен критерий компактности потока, накладывающий ограничение на значение скорости течения расплава по каналам литниковой системы и полости формы, расхода из ковша.
4. Разработана математическая модель процесса заполнения полости формы расплавом, обеспечивающая сокращение появления дефектов на стадии заполнения.
5. Разработана методика расчета теплофизических свойств никелевых жаропрочных сплавов в зависимости от химического состава.
Практическая значимость работы.
1. Разработана методика расчета литниково-питающей системы и параметров заливки для отливок типа «Лопатка».
2. Разработана методика расчета теплофизических свойств, позволяющая значительно повысить точность при моделировании процесса заполнения полости формы расплавом и затвердевания отливки.
Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту.
1. Критерий компактности потока, полученный на основании анализа партии отливок и проведения экспериментального исследования методами гидромоделирования и численного моделирования, устанавливающий скорость заполнения формы расплавом.
2. Математическая модель процесса заполнения полости формы расплавом.
3. Методика расчета теплофизических свойств (теплоемкость, теплопроводность, плотность, вязкость), основанная на анализе литературных данных и статистической обработке экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на всероссийской НТК «Новые материалы и технологии, НМТ-2006», Москва, 2006; на международной школе – конференции молодых ученых, аспирантов, и студентов РГАТА имени П. А. Соловьева, Рыбинск, 2006; на научной конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников. Изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 23 таблицы, 38 рисунков, библиографический список содержит 125 наименований.
