Введение к работе
Актуальность работы. Производство двигателей летательных аппаратов требует постоянного совершенствования технологических процессов для обеспечения растущих требований по качеству и эксплуатационной надежности.
Технологии изготовления деталей, узлов и двигателя в целом во многом определяют его массу, ресурс, трудоемкость и себестоимость.
Снижение массы изделия за счет повышения технико-эксплуатационных свойств литых деталей двигателя летательных аппаратов (ДЛА) является одной из важнейших задач аэрокосмической отрасли. Тем более что масса литых деталей ДЛА от общей его массы составляет порядка 30-35%. Решение этой задачи определяет технологический прогресс во всех отраслях машиностроения. Для этого разработан и используется комплекс химических и физических методов воздействия на расплав металла.
В промышленных технологиях литья алюминиевых сплавов особое внимание уделяется разработке и исследованию различных способов внешнего воздействия на расплавы, которые способствуют получению мелкозернистой структуры и повышенных механических и эксплуатационных свойств отливок без введения специальных модифицирующих добавок.
Особенный интерес в технологиях изготовления алюминиевых сплавов представляет обработка расплава магнитным полем в процессе плавки и литья. Так, наиболее известными являются обработка расплавов в магнитогидродинамических перемешивателях, а также применение электромагнитных кристаллизаторов при непрерывном и полунепрерывном литье слитков. Однако применение способов обработки расплавов магнитным полем при производстве фасонных отливок сдерживается. Это связано со сложностью создания специальных устройств, позволяющих обрабатывать расплавы непосредственно в литейной форме с учетом конфигурации отливки, и недостаточной изученностью процессов, происходящих при кристаллизации расплавов, подвергнутых обработке магнитным полем. Перспективны разработка и исследование эффективных технологий обработки расплавов магнитным полем перед или в процессе заливки в литейную форму, что дает возможность получать отливки любой конфигурации.
Современное развитие импульсных технологий послужило основанием для проведения научных работ по исследованию воздействия на металлический расплав импульсного магнитного поля (ИМП) высокой напряженности. Подобные ИМП получили широкое распространение в машиностроении при выполнении операций штамповки, сборки, сварки и др.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждена выполнением научно-исследовательской работы в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). № 07-08-97612 (2007 - 2008 гг.) «Исследование эффектов воздействия импульсных магнитных полей высокой напряженности на жидкий и кристаллизующийся металл; создание научных основ разработки новых технологий в металлургии и машиностроении».
Цель исследования. Разработка теоретико-экспериментальных основ процессов литья с воздействием импульсного магнитного поля высокой напряженности на расплав при производстве деталей ДЛА.
Задачи исследования.
1 .Разработать технологические схемы магнитно-импульсной обработки (МИО) жидкого и кристаллизующегося металла при получении отливок деталей ДЛА.
2.Создать специализированное оснащение для МИО расплава, состоящее из магнитно-импульсной установки и индукторной системы, способной работать при высоких температурах.
З.Разработать методики компьютерного моделирования физических процесса происходящих в расплаве под действием ИМП высокой напряженности.
4.Разработать методики экспериментальных исследований теплосиловых факторо воздействия ИМП на расплав металла.
5.Исследовать влияние ИМП высокой напряженности на процесс кристаллизации физико-механические свойства как бинарных (l,2%Si; 6%Si; ll,7%Si и 18%Si), так промышленных алюминиевых сплавов АК9ч, АК6М2; определить оптимальные параметрі воздействия.
б.На основании проведенных исследований разработать рекомендации т проектированию технологических процессов литья с МИО жидкого металла прі производстве деталей ДЛА.
7.Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок из алюминиевых сплавов для деталей ДЛА.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования влияния МИО расплава на структуру, механические и физические свойства алюминиевых сплавов:
-
Разработаны универсальные методики компьютерного моделирования на базе СКМ ЛП «Полигон» и многоцелевого конечно-элементного комплекса ANSYS/LS-DYNA, позволяющие исследовать влияние каждого фактора теплосилового воздействия ИМП.
-
Разработаны методики экспериментальных исследований, позволяющие оценивать влияние факторов воздействия ИМП с учетом быстропротекающего характера и интенсивных электромагнитных помех.
-
Предложен механизм формирования мелкозернистой структуры и повышенных физико-механических свойств отливок деталей ДЛА под воздействием ИМП высокой напряженности.
Практическая ценность. Использование полученных результатов позволило разработать технологические схемы МИО расплава металла, создать индукторную систему на основе новых материалов витковой изоляции, способную работать при высоких температурах и специализированную малогабаритную магнитно-импульсную установку (МИУ-10Л), с запасаемой энергией до 10 кДж, основным достоинством которой является высокая скважность разрядов (не менее 1 Гц) и возможность управления формой импульса.
Для выявления дополнительных резервов физико-механических свойств отливок деталей ДЛА из алюминиевых сплавов системы АІ-Si предложена новая технология литья, опробованная в промышленных условиях, с дополнительной МИО расплава перед заливкой в литейную форму или непосредственно в форме.
Кроме того, определены области промышленного применения магнитно-импульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл.
Проект «Разработка физического способа воздействия импульсного магнитного поля высокой напряженности на жидкий и кристаллизующийся металл с целью повышения его технико-эксплуатационных свойств» занял второе место в номинации «Разработка новых авиационных технологий и материалов» Всероссийского конкурса «Вертолеты XXI века», Москва, 22 мая 2009 г.
На защиту выносятся:
-
Результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований влияния теплосиловых факторов воздействия ИМП высокой напряженности на расплав.
-
Результаты исследования влияния МИО жидкого металла, как на этапе подготовки расплава, так и непосредственно в литейной форме на процесс кристаллизации, механические и физические свойства бинарных (с содержанием кремния 1,2%, 6%, 11,7% и 18%) и алюминиевых сплавов АК9ч, АК6М2 системы Al-Si.
-
Механизм формирования мелкозернистой однородной структуры литого металла под действием ИМП высокой напряженности.
4. Результаты реализации в производственных условиях технологии литья с МИО
расплава в кокильной форме при получении отливок деталей ДЛА.
Достоверность научных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной физической и математической постановкой задач, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными на разработанных оригинальных стендах с применением современных средств измерения, а также положительным опытом апробации в промышленных условиях.
Апробация работы. Результаты работы прошли экспертизу и обсуждались на конференциях, симпозиумах и семинарах: Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», «МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского (Москва, 2006 г.); 3-я Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «МИОМ - 2007» (Самара, 2007 г.); VII Международный научно-технический симпозиум «Наследственность в литейных процессах» (Самара, 2008 г.); XI Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе», «Технология-2009» (Орел, 2009 г.); 3-я Международная научно-техническая конференция «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования», «Металлдеформ-2009» (Самара, 2009 г.); VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН (Москва, 2009 г.); 3-е Всероссийское научно-практическое совещание «Взаимодействие науки и литейного металлургического производства» (Самара, 2010 г.), 2-ой семинар «Повышение эффективности процессов изготовления ответственных деталей авиа- и двигателестроения штамповкой и литьем. Разработка, моделирование и оптимизация технологий с использованием программ QForm и ProCAST» (Москва, 2010 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях, в том числе в 2 статьях в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России для публикации основных научных результатов диссертации. Кроме того, по результатам работы получено 5 патентов РФ. Материалы диссертации использованы в отчетах по НИР и Грантам, выполненным при участии автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 179 страницах, содержит 15 таблиц, 115 рисунков. Список литературы составляет 127 наименований.
Похожие диссертации на Повышение эффективности процессов литья при производстве деталей двигателей летательных аппаратов путем воздействия импульсного магнитного поля на расплав
