Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние технологии изготовления рабочих лопаток турбины гтд с использованием систем компьютерного моделирования 14
1.1 Обзор научных публикаций по теме исследования 14
1.2 Особенности существующего технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД 22
1.3 Современное состояние уровня качества производства заготовок рабочих лопаток турбины ГТД 31
1.4 Сравнительный анализ систем компьютерного моделирования литейных процессов 41
1.5 Выводы по главе
ГЛАВА 2 Математическое моделирование и исследование технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД 52
2.1 Содержательное описание технологических возможностей при производстве заготовок рабочих лопаток турбины 52
2.2 Постановка математической модели предварительного прогрева технологической системы 63
2.3 Разработка математической модели предварительного прогрева технологической системы в литейной установке 67
Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3 Построение цифровой модели-двойника технологического процесса производства заготовок рабочих лопаток турбины 72
3.1 Проектирование цифровой модели-двойника технологического процесса 72
3.2 Разработка методики цифрового технологического процесса изготовления
рабочих лопаток турбины ГТД 76
3.3 Постановка задачи численного исследования технологического процесса на основе планирования экспериментов с использованием факторных планов 104
3.4 Численное исследование технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД 113
Выводы по главе 3 130
ГЛАВА 4 Разработка методики формообразования заготовок рабочих лопаток турбины гтд с адаптивным пространственным распределением припуска 131
4.1 Требования к точности и качеству поверхностного слоя заготовок рабочих лопаток турбины при адаптивном формообразовании 131
4.2 Исследование влияния пространственного распределения припуска на производительность и снижение брака в существующем технологическом процессе 134
4.3 Статистическая оценка точности параметров технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины 143
4.4 Разработка автоматизированного алгоритма пространственного распределения припуска по профилю пера в заготовках лопаток турбины 152
Выводы по главе 4 161
ГЛАВА 5 Практическое использование результатов диссертационной работы на предприятиях отрасли 163
5.1 Разработка методики технологической подготовки производства заготовок рабочих лопаток турбины с использованием компьютерного моделирования.. 163
5.2 Опытно-промышленная апробация результатов исследования в производственных условиях ПАО «Кузнецов» 170
Выводы по главе 5 173
Заключение 174
Список литературы 176
- Современное состояние уровня качества производства заготовок рабочих лопаток турбины ГТД
- Постановка математической модели предварительного прогрева технологической системы
- Постановка задачи численного исследования технологического процесса на основе планирования экспериментов с использованием факторных планов
- Исследование влияния пространственного распределения припуска на производительность и снижение брака в существующем технологическом процессе
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В настоящее время одной из важнейших задач авиадвигателестроения является повышение надежности газотурбинных двигателей. Так как надежность ГТД, в том числе, обеспечивается технологическими методами, то основные усилия должны быть направлены на совершенствование производственных процессов изготовления основных деталей двигателя. Прежде всего это касается технологий изготовления деталей рабочего тракта, таких как лопатки турбины, так как они являются наиболее ответственными деталями в двигателе, максимально нагруженными и определяющими ресурс работы двигателя. Лопатки турбины характеризуются сложной пространственной формой, высокими требованиями к точности геометрических параметров и качеству поверхностного слоя.
Ввиду сложной пространственной формы и отсутствия развитых поверхностей для точного базирования лопаток наиболее эффективным, а в некоторых случаях и единственным способом получения заготовок лопаток является бесприпус-ковый по профилю пера способ изготовления отливок лопаток методом монокристаллического литья и последующей механической обработкой замковой области и бандажной полки.
Проведенный обзор существующих технологических процессов изготовления рабочих лопаток турбины ГТД позволил установить, что производство беспри-пусковых заготовок лопаток турбины является крайне неустойчивым и характери-зуюется большим процентом брака (порядка 50%). В первую очередь, это связано с нестабильностью технологических режимов. Значительную часть от общего объема дефектов составляет несоответствие по макроструктуре и геометрическим параметрам пера, причинами которого являются нестационарность температурных режимов и несовершенство процесса локальной полировки пера лопатки. Устранение данных дефектов позволит на 30–35% снизить брак.
Качественная оценка состояния технологического процесса производства рабочих лопаток турбины, определяемая коэффициентом точности (устанавливает соотношение между полем рассеивания и допуском на исполняемый размер), показала, что изготовление отливок лопаток ведется в условиях нестабильности производственного процесса и с малым запасом точности.
В настоящее время проводятся мероприятия по совершенствованию производственного процесса и снижению брака у заготовок лопаток. Однако отработка технологии, характеризующаяся субъективным фактором, осуществляется путем проведения ряда натурных экспериментов, т.е. методом проб и ошибок, что приводит к значительному перерасходу дорогостоящих материалов и энергоресурсов, повышению трудоемкости изготовления лопаток и снижению гибкости технологического процесса. Поэтому необходимым условием современного высокоэффективного производства в соответствии с концепцией «Индустрия 3.0» является проектирование цифровых имитационных моделей-двойников технологического процесса с целью выбора оптимальных параметров процесса и возможностью управления ими для получения изделий требуемого качества.
В рамках диссертационной работы была разработана цифровая имитационная модель-двойник существующего технологического процесса производства лопаток турбины, позволяющая проводить температурно-скоростную оптимизацию и подбирать оптимальные условия технологического процесса. Верификация и апробация в опытном производстве имитационной модели-двойника позволила в кратчайшие сроки и с минимальными трудозатратами изучить причины возникновения
дефектов и разработать комплекс мер и рекомендаций, направленных на их устранение.
В связи с этим, тематика диссертационной работы соответствует специальности и является актуальной для современного двигателестроения.
Степень разработанности темы. Проблемами совершенствования технологических процессов производства лопаток турбины ГТД занимались: Н.Д. Кузнецов, С.Г. Кишкин, Л.Т. Моисеева, Б.Н. Бабич, В.Л. Китайкин, И.Л. Шитарев, Ю.С. Елисеев, С.П. Павлинич, Е.Н. Каблов, Ф.И. Демин, В.А. Полетаев, И.В. Кузин, В.А. Костышев, В.П. Голанов, Д.А. Коростелев, А.Д. Орлов, В.П. Монастырский, А.С. Дубровская, Е.И. Яковлев, G.S. Corman, K.L. Luthra, S. Eury, T. Tamura, K. Takahashi, T. Araki, T. Natsumura, G.A. Gandin и другие.
Следует отметить, что существующие технологические решения, направленные на снижение брака при изготовлении рабочих лопаток турбины ГТД, на сегодняшний день имеют достаточно высокий уровень проработанности. Однако общим недостатком у них является слабое использование средств компьютерной поддержки производства. Данный недостаток обусловлен рядом причин: 1) невысокой сходимостью результатов компьютерного моделирования с результатами натурных экспериментов при различных вариантах управления параметрами процесса; 2) отсутствием методик определения оптимальных параметров технологического процесса на различных этапах изготовления лопаток турбины; 3) отсутствием комплексной имитационной модели-двойника для многовариантных численных исследований технологического процесса производства заготовок рабочих лопаток турбины.
Проведенный обзор литературы позволил установить актуальность диссертационной работы. Она обусловлена:
-
ограниченной изученностью вопроса моделирования процесса теплообмена в технологической системе при производстве заготовок рабочих лопаток турбины ГТД с монокристаллической структурой;
-
нелинейностью протекания тепловых процессов при высокотемпературном нагреве металла;
-
отсутствием математической и конечно-элементной модели, связанной с технологическими режимами литейной установки для проведения многовариантных численных исследований;
-
несовершенством процесса локального полирования профиля пера рабочих лопаток турбины. Цель работы. Повышение качества, производительности и снижение брака
при производстве заготовок рабочих лопаток турбин ГТД, получаемых методом направленной кристаллизации монокристаллических отливок, за счет разработки конечно-элементной модели технологического процесса и совершенствования операции локального полирования профиля пера лопатки.
Задачи исследования.
-
Разработать математическую модель определения нестационарного распределения температур в технологической системе печь–опока–наполнитель– форма–металл–стопор, учитывающую конкретные конструктивные, геометрические и теплофизические особенности этой системы.
-
Разработать методику конечно-элементного моделирования технологического процесса производства заготовок рабочих лопаток турбины ГТД.
-
Произвести проверку адекватности разработанной математической модели и методики проектирования технологического процесса путем сравнения результатов (параметров структуры отливки, наличия и расположения литей-4
ных дефектов) с натурными экспериментами при опытном производстве рабочих лопаток турбины ГТД.
4. Разработать методику проектирования процесса локального полирования
профиля пера рабочих лопаток турбины и программное приложение «АРМ
полировщика».
5. Провести экспериментальную апробацию разработанной математической
модели и методик в условиях опытно-промышленного производства на при
мере изготовления отливок лопаток турбины ГТД I-й ступени.
Объект исследований. Заготовка рабочей лопатки турбины ГТД I-й ступе
ни.
Предмет исследований. Технологический процесс производства заготовок рабочих лопаток турбины ГТД I-й ступени.
Методы и средства исследований. Реализация поставленной цели и задач диссертационной работы осуществлялась с использованием теоретических и экспериментальных методов. Теоретические исследования тепловых явлений, сопутствующих технологическому процессу производства заготовок рабочих лопаток турбины с монокристаллической структурой, выполнены с использованием подходов, базирующихся на основных положениях тепломассообмена и методов математического моделирования. Реализация разработанной методики и конечно-элементной модели проводилась с использованием программных сред Siemens NX, ProCast и MATLAB.
Экспериментальные исследования проводились в условиях производства ПАО «Кузнецов» (г. Самара) на образцах заготовок рабочих лопаток турбины ГТД I-й ступени двигателя НК–32, полученных из жаропрочного сплава ЖС–30ВИ и изготовленных в вакуумной проходной печи ПМП–2. Исследования ТП изготовления отливок лопаток турбины выполнялись при различных температурных, теплофизи-ческих и конструктивных параметрах технологической системы печь–опока– наполнитель–форма–металл–стопор на основании полного факторного эксперимента с последующим проведением комплексных исследований структуры, геометрических параметров и определения дефектов. Конечная обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с применением методов математической статистики и теории вероятности.
Научная новизна.
-
Предложен новый подход к оптимизации технологических режимов литья на основе создания уточненной конечно-элементной модели процесса за счет расширения, в сравнении с аналогами, объектов моделирования, а именно, в создании интегрированной модели технологической системы печь–опока– наполнитель–форма–металл–стопор.
-
Разработана математическая модель определения температурного поля при литье монокристаллических лопаток турбин в технологической системе печь–опока–наполнитель–форма–металл–стопор, отличительной особенностью которой является учет нестационарного характера распределения температур.
-
Разработана методика компьютерного моделирования технологического процесса литья лопаток в CAE-системе, позволившая повысить точность определения температурного поля благодаря учету нестационарного характера распределения тепловых потоков.
-
Разработана методика проектирования процесса локального полирования профиля пера рабочих лопаток турбины, впервые (для данного класса объек-5
тов) учитывающая пространственное распределение припуска, что позволило повысить производительность и снизить брак.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке математической модели, конечно-элементной модели технологического процесса, а также модели пространственного распределения припуска в заготовках лопаток, позволивших выявить возможности повышения точности, производительности и обеспечившие снижение брака.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке методики определения оптимальных условий ТП литья заготовок рабочих лопаток турбины и методики учета пространственного распределения припуска в заготовках лопаток при локальном полировании профиля пера. Разработанные методики позволяют на 30–35% сократить брак в заготовках лопаток.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Математическая модель технологического процесса производства заготовок рабочих лопаток турбины, описывающая распределение температуры для элементов технологической системы.
-
Результаты численного моделирования технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД, позволяющие определить распределение температурного поля в угловых зонах и сложной конструкции внутренних объемов технологической системы.
-
Методика и программное приложение для расчета геометрических параметров действительного профиля пера рабочих лопаток турбины.
-
Предложения по внедрению разработанных методик в цепочку технологической подготовки производства. Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью принятых
допущений при разработке математической модели; применением известных численных методов, обладающих высокой точностью при проведении компьютерных расчетов; проведением экспериментальных исследований в производственных условиях на аттестованном оборудовании и соответствием результатов численных расчетов параметрам реальных отливок.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на круглом столе по теме «Моделирование литья деталей аэрокосмического назначения в программном комплексе ProCast», 19–23 ноября 2012 г., г. Екатеринбург, «ПЛМ Урал» – «Делкам–Урал»; Всероссийской научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», 17–19 сентября 2014 г., г. Комсомольск-на-Амуре; Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология», 25–26 декабря 2014 г., г. Курск; на круглом столе по теме «Использование расчетных модулей Stress solver, Microstructure module, CAFE module программного комплекса ProCast в заготовительном производстве», 12–19 октября 2014 г., г. Екатеринбург, «ПЛМ Урал – Делкам–Урал»; Международном пользовательском форуме «Использование программного продукта ProCast при решении технологических задач заготовительного производства», 21–27 февраля 2015 г., Плзень – Чехия, Mecas ESI; Международном форуме «Компьютерные решения для процессов литья, сварки, термообработки и ОМД», 30 сентября – 2 октября 2015 г., г. Москва; VII Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», 7–9 апреля 2016 г., г. Юрга, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета; Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос», 18–21 мая
2016, г. Санкт-Петербург, БГТУ; Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», 22–24 июня 2016 г., г. Самара, Самарский университет; круглом столе «Проблемы современного двига-телестроения», 7–8 ноября 2016 г., г. Казань, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИ и Казанское моторостроительное производственное объединение (КМПО); семинаре финального этапа Всероссийского инженерного конкурса «Разработка современной инновационной технологии изготовления деталей в авиа- и двигателестроении», 15–18 ноября 2016 г., г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; круглом столе по теме «Компьютерное моделирование технологического процесса литья лопаток турбины», 26 ноября – 4 декабря 2016 г., г. Екатеринбург, «ПЛМ Инжиниринг».
Реализация результатов работы. Результаты работы в части компьютерного моделирования технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД апробированы и приняты к внедрению на ПАО «Кузнецов», что подтверждено соответствующими актами внедрения в производственный процесс ПАО «Кузнецов» от 19.06.2017; актом внедрения в учебный процесс от 27.06.2017; справкой об использовании результатов диссертационной работы Вдовина Р.А. в производственном процессе ПАО «Кузнецов» от 06.05.2017; актом о передаче научно-технической продукции № 4/15 от 28.05.2015 г.; актом о передаче научно-технической продукции № 33/15 от 28.10.2015 г. и актом о выполнении работ по договору № 39–1 от 14.03.2016 г.
Разработка теоретических положений, изложенных в диссертационной работе, была поддержана договором инв. № 15368 055 (001Х–368–29г) «Создание эффективных технологий проектирования и высокотехнологичного производства газотурбинных двигателей большой мощности для наземных энергетических установок» с выполненным разделом по теме «Результаты разработки методов и средств формирования в заготовках и деталях по номенклатуре ОАО «Кузнецов» заданных параметров структуры и кристаллографической ориентации» (2015 г.) и договором № 93–4 от 07.11.2016 «Создание и опытная отработка аддитивных технологий для предприятий региона» с выполненным разделом работ по теме «Практическая апробация технологического процесса литья заготовок высоконагруженной детали типа «Сектор» в заготовительном производстве».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в периодических изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, и 4 статьи в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 145 наименований и 7 приложений. Общий объем диссертации составляет 200 страниц, 75 рисунков и 21 таблица.
Современное состояние уровня качества производства заготовок рабочих лопаток турбины ГТД
Лопатки, изготовленные по технологии монокристаллического литья, характеризуются более высокой длительной прочностью в процессе эксплуатации двигателя, а ресурс работы лопаток в 2–3 раза выше по сравнению с лопатками с поликристаллической равноосной структурой.
В настоящее время в отечественном двигателестроении применяют два варианта технологии направленной кристаллизации: низко- и высокоградиентная (высокоскоростная) направленная кристаллизация.
Для реализации метода направленной кристаллизации в производственных условиях созданы специальные вакуумные установки типа УВНК–8П, ПМП–2, ПМП–4, УППФ–3М, ВИП–НК, а также предложены различные модификации подобных установок.
Технологические возможности заготовительного производства не всегда обеспечивают высокий уровень выхода годных заготовок лопаток турбины в силу появления большого количества литейных дефектов различного происхождения. Причиной тому может служить влияние различных технологических параметров на технологический процесс. Например, при литье заготовок с использованием установки ПМП–2 неразрущающие методы контроля выявляли неспаи, плены, рыхлоты, трещины, нарушения структуры и прочее. Большую роль в изучении подобных дефектов сыграли работы Примака И.М., Македонского А.В., Береснева А.С. Авторы предлагали для сокращения литейных дефектов перегревать сплав перед сливом в форму, обеспечивая при этом достаточную скорость заливки. Однако необходимо отметить, что использованный прием недостаточно эффективен и имеет ряд недостатков. В частности, перегретый сплав теряет свои основные физико-механические свойства.
Проблемам образования рыхлот в лопатках турбины посвящены исследования Драпье Ж.М., Портного К.И., Шлимана Е.Б. Авторами рассматривается изменение макроструктуры лопатки по мере удаления фронта кристаллизации от холодильника и его влияние на образование рассеянной усадочной пористости [24]. 1.3 Современное состояние уровня качества производства заготовок рабочих лопаток турбины ГТД
Обеспечение высокой рентабельности и значительное сокращение трудозатрат в производстве современных ГТД является основной задачей, направленной на повышение качества и снижение себестоимости изготовления высокоэффективных двигателей нового поколения. Данная задача весьма актуальна для производства лопаток турбины, где до 2000-х годов коэффициент использования материала (КИМ) оставался крайне низким: 0,05–0,30. Это приводит к значительному перерасходу материалов и энергоресурсов, высокой трудоемкости последующей обработки (доля механической обработки лопаток турбины резанием на тот момент достигала 60% от всей трудоемкости изготовления двигателя) и снижению качества изготовленных лопаток [119].
Качество заготовок рабочих лопаток турбины характеризуется точностью размеров, заданной чертежом шероховатостью поверхности, структурой, механическими и физическими свойствами металла, а также отсутствием в отливках лопаток внутренних и наружных дефектов (например, раковин, засоров, трещин) [120].
Несомненно, технология получения заготовок существенно влияет на их качество и, как следствие, определяет принципы и методики, которыми следует руководствоваться при их проектировании и конструировании.
В диссертационном исследовании Шитарева И.Л. [119], направленном на разработку научно-технических основ высокоэффективных технологических процессов в производстве газотурбинных двигателей, описывается экономический эффект от внедрения новых технологических процессов и использования конструктивных решений в заготовительном производстве. В частности, при изготовлении рабочих лопаток турбины ГТД с направленной кристаллизацией благодаря разработанным методам и методикам удалось: на 93– 95% ликвидировать брак по литейным дефектам в виде «неспаев» и «плен» и на 68% – брак по засорам и геометрии; уменьшить трудоемкость последующей обработки лопаток на 32%; поднять производительность и уменьшить энергоемкость процесса в 2 раза; увеличить межремонтный срок работы оборудования в 2–3 раза; получить значительную экономию жаропрочного сплава и графитовой оснастки.
Опыт взаимодействия с литейными цехами двигателестроительных предприятий показывает высокий процент брака у заготовок рабочих лопаток турбины. Столь высокий уровень брака связан с наличием большого числа литейных дефектов, с отклонениями геометрических размеров и изменением физических и механических свойств материала после плавки–заливки.
С целью оценки качества заготовок лопаток на ПАО «Кузнецов» был проведен анализ основных операций ТП изготовления лопаток турбины I-й ступени. В таблице 1.2 представлен фрагмент маршрутной карты контроля заготовок рабочих лопаток турбины.
Из маршрутной карты видно, что из партии заготовок лопаток в 100 штук, брак составляет 40% для лопаток с направленно-кристаллизационной структурой и 60% для лопаток с монокристаллической структурой. Причины, влияющие на процент брака, могут иметь различный характер, в том числе: несоблюдение основных параметров технологического процесса, уровень материально-технического обеспечения производства, даже природно-климатические условия, оказывающие непосредственное влияние на параметры кристаллизации отливок.
Анализ таблицы 1.2 позволил сгруппировать обнаруженные дефекты в три основные группы: 1. Внутренние дефекты в отливках (операции 445, 485, 525, 630). 2. Дефекты структуры отливок лопаток (операции 515, 520). 3. Несоответствие отливки по геометрии (операция 565). Внутренние дефекты в отливках лопаток могут быть выявлены с помощью рентгеноконтроля или с помощью ультразвукового контроля. Операции № 445 в двух лопатках выявила засоры – открытые или закрытые полости в теле отливки, заполненные материалом оболочки формы, опорного наполнителя или футеровки.
Постановка математической модели предварительного прогрева технологической системы
Высокотемпературные и жаропрочные заготовки рабочих лопаток турбины ГТД и ГТУ, ввиду их сложной пространственной формы, высоких требований к точности геометрических параметров и качеству поверхностного слоя, можно получать только методом литья с направленной кристаллизацией (НК). Данный метод позволяет изготавливать высококачественные отливки со сложной наружной геометрией и развитыми внутренними каналами охлаждения, с минимальным припуском или без припуска по перу лопатки для последующей механической обработки. В тоже время технологический процесс литья рабочих лопаток турбины является одним из наиболее сложных, длительных и дорогостоящих методов. Технология литья монокристаллических отливок еще больше повышает стоимость и усложняет процесс изготовления лопаток. Метод направленной кристаллизации либо образует столбчатую структуру зерен, что исключает появление поперечных границ зерен, либо формирует единый монолитный кристалл, повышая механические характеристики лопатки.
На сегодняшний день использование метода НК при изготовлении рабочих лопаток турбины ГТД является одним из наиболее перспективных способов. Использование данного метода позволяет на традиционных литейных сплавах типа ЖС повысить основные рабочие характеристики за счет исключения поперечных границ зерен и повышения металлургического качества отливок.
При литье с направленной кристаллизацией в отливке лопатки образуется от одного до 5–7 макрозерен произвольной ориентации. Наличие продольной границы зерен снижает прочность сплава в поперечном направлении, а в том случае, когда границы зерен выходят на кромки, они могут стать очагами зарождения трещины в лопатке. Кроме того, не используются полностью потенциальные возможности сплава, свойства которого зависят не только от химического и фазового состава, а также структуры, но и от ориентации его кристаллической решетки относительно главных действующих напряжений.
Таким образом, направленная кристаллизация, благодаря устранению границ зерен, ориентированных перпендикулярно основным действующим напряжениям в лопатках, обеспечила повышение основных эксплуатационных характеристик жаропрочных сплавов, главным образом, длительной прочности, пластичности, термостойкости.
В настоящее время для изготовления отливок рабочих лопаток турбины ГТД применяют вакуумные плавильные установки, нагрев в которых производится в печах электрического сопротивления или индукционных печах.
Равноосная, точнее, равноосно-текстурированная, литая структура лопаток получается при использовании вакуумных индукционных печей установок полунепрерывной плавки форм (типа УППФ–3), а лопатки с продольно ориентированной столбчатой структурой получают методом литья с направленной кристаллизацией в проходных методических вакуумных печах непрерывного действия (типа ПМП–2 и ПМП–4), в установках вакуумных направленной кристаллизации (типа УВНК–8П) или в вакуумной плавильной установке ВИП–НК [24].
Необходимо отметить, что литейное оборудование, используемое для технологического процесса литья с направленной кристаллизацией, также может быть использовано для получения монокристаллических отливок с использованием затравки, повышая при этом коэффициент использования материала (КИМ) с 0,2–0,4 при равноосном литье до 0,6–0,75 и более.
В литейных цехах для изготовления лопаток применяются установки УППФ нескольких модификаций конструкции плавильных камер, не имеющих принципиальных различий (рисунок 2.1). 1 – блок шлюзовой камеры; 2 – затвор; 3 – блок плавильной камеры; 4 – плавильная камера; 5 – блок загрузки шихты; 6 – блок электропитания; 7 – форвакуумный насос; 8 – бустерный насос; 9 – блок силового электропитания; 10 – индуктор; 11 – печь подогрева литейных форм Недостатком установки УППФ является наличие оксидных плен на зеркале расплава вследствие отсутствия вакуумно-газовой системы в плавильной камере. С целью исключения данного недостатка прибегают к перегреву расплава с его последующей выдержкой до полного удаления плены [55]. Однако при определенных температурах перегрева начинаются реакции химического взаимодействия расплава с керамикой тигля. Таким образом, тигель подвергается эрозии, а расплав насыщается неметаллическими включениями от тигля, что категорически не допускается технологией.
На установке УВНК–8П охлаждение блоков литейных форм осуществляется путем их погружения в охлаждающую среду расплава алюминия (с температурой 670–8000С), который находится в кристаллизаторе (рисунок 2.2) [54]. Таким образом, повышенная интенсивность теплоотвода позволяет повысить скорость роста зерен до 10 мм/мин. Поэтому подобный процесс направленной кристаллизации называется высокоскоростным (ВНК). Повышенная скорость роста зерен способствует высокой производительности процесса литья лопаток (порядка 12–18 лопаток за одну плавку).
Постановка задачи численного исследования технологического процесса на основе планирования экспериментов с использованием факторных планов
Проектирование цифровой модели технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД проводилось с использованием системы компьютерного моделирования литейных процессов ProCast. Подготовка к моделированию технологического процесса включает следующие этапы: 1. Проектирование геометрической модели отливки. 2. Подготовка препроцессора (выбор оптимальных граничных, контактных и начальных условий ТП): - расчет теплофизических свойств жаропрочного сплава ЖС30-ВИ (модуль CompuTherm Material); - проектирование двух пользовательских функций для моделирования прогрева графитовой опоки и подбора температурного поля в зоне кристаллизации (модуль User Function); - подбор оптимальных параметров для моделирования конкурентного роста зерен никелевого жаропрочного сплава (модуль CAFE); - определение основных механических характеристик сплава ЖС30-ВИ для моделирования напряженно-деформированного состояния отливки (модуль Stress). Проектирование геометрической модели отливки. Построение 3 D-модели отливки рабочей лопатки турбины и литейного блока проводилось в CAD-модуле программного продукта NX (рисунок 3.5).
После этого геометрия модели переносилась в сеточный генератор Visual-Mesh программного продукта ProCast. В связи с трудоемкостью построения геометрии керамической оболочковой формы в CAD-системе построение ее конечно-элементной модели проводилось в сеточном генераторе Visual-Mesh, который позволяет получить в керамической оболочке сетку, гарантированно сопряженную с сеткой отливки лопатки.
В расчетную область проектируемого технологического процесса литья рабочих лопаток турбины были включены следующие элементы: модель отливки лопатки турбины I-й ступени с минимальной толщиной стенки 1 мм; керамический стержень; затравка; заглушка; керамическая форма толщиной 10 мм; графитовый наполнитель; стопор; графитовая опока. Использовались следующие параметры технологического процесса: плавка–заливка в порционной печи ПМП–2 сплавом ЖС30–ВИ; материал обсыпки (керамической формы) – электрокорунд Al2O3; время заливки – 4–6 с.; температура заливки – 15100С; температурный режимы по зонам печи ПМП–2: I зона 1290 +10 0С; VI зона 1510 +10 0С; II зона 1370 +10 0С; VII зона 1450 +10 0С; III зона 1400 ±10 0С; VIII зона 1390 +10 0С; IV зона 1510 +10 0С; IX зона 1370 +10 0С. В качестве начальных тепловых условий для всех элементов расчетной области использовались температурные поля, полученные из решения задачи начального прогрева графитовой опоки.
Конечно-элементная модель технологической системы Число узлов и элементов конечно-элементной модели представлено в таблице 3.1. Характерный размер элемента в отливке лопатки составляет 1 мм; в перфорации (каналах охлаждения) – 0,5 мм; на хвостовике (гребешке) лопатки – 0,3 мм; в литниковой системе – 2 мм; в заливной чаше и центральном питателе – 3 мм. Расчетная область состояла из 3 471 693 узлов и 17 771 077 элементов. Таблица 3.1 – Число узлов и элементов конечно-элементной модели Объект расчетной области Материал Число узлов Число степеней свободы Корпус проходной методической печи ПМП-2 Сталь 38564 38564 Графитовая опока Графит 56862 56862 Графитовый наполнитель Мелкий графит 248049 248049 Керамическая литейная форма Керамика Al2O3 2176014 2176014 Блок отливок (счетырехместнымрасположением лопаток) Сплав ЖС30-ВИ 979205 7833640 Керамический стопор Керамика Al2O3 4519 4519 Затравки Сплав ЖС30-ВИ 7044 7044 Всего: 3510257 10364692 Расчет теплофизических свойств жаропрочного сплава ЖС30–ВИ. Лучший способ определения теплофизических свойств материала – прямое измерение свойств в процессе экспериментальных исследований. Однако при практической реализации данной идеи всегда возникают трудности с тугоплавкими материалами. Для проведения натурных испытаний процесса кристаллизации тугоплавких материалов (класса ЖС) требуется большой спектр точных приборов с жаропрочной рабочей зоной. Эффективной альтернативой натурным испытаниям может служить компьютерное моделирование.
Однако электронные базы данных с теплофизическими свойствами материалов, используемых в CAE программных продуктах, ограничены, т.к. они не содержат сведений о сплавах, химический состав которых назначается по техническим условиям конкретного предприятия. По этой причине теплофизические свойства необходимого материала можно получить расчетным путем, используя адекватный математический аппарат, который встроен в расчетный модуль CAE программного продукта.
Таким образом, основные теплофизические свойства сплава ЖС30–ВИ в твердожидком состоянии, в связи с трудностями экспериментального определения, были рассчитаны в термодинамической базе данных материалов CompuTherm Material программного продукта ProCast.
Программный модуль CompuTherm Material – термодинамическая база данных, которая позволяет в зависимости от химического состава сплава и скорости охлаждения автоматически определять теплофизические параметры, необходимые для проведения точного расчета литейного процесса. С помощью модуля CompuTherm можно рассчитать кривые энтальпии, доли твердой фазы, плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности. Также термодинамическая база данных позволяет рассчитывать упругие свойства материала (в виде температурных кривых): модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного температурного расширения.
Так как моделируемые технологические процессы протекают в широком температурном интервале, то значения теплофизических свойств материалов могут значительно изменяться. Поэтому, как для материалов керамических форм, так и для литейных сплавов необходимо учитывать температурные зависимости теплопроводности, теплоемкости, плотности, коэффициента линейного расширения, доли твердой фазы. На рисунках 3.7 – 3.11 представлены основные теплофизические зависимости для сплава ЖС30–ВИ, рассчитанные с помощью базы данных CompuTherm Material программного продукта ProCast.
Исследование влияния пространственного распределения припуска на производительность и снижение брака в существующем технологическом процессе
Технологические и конструктивные особенности рабочих лопаток турбины ГТД оказывают серьезное влияние на газодинамические характеристики двигателя в процессе его эксплуатации. Условия работы тонкостенных рабочих лопаток турбины в современных ГТД требуют их высоких прочностных характе
Сравнение результатов компьютерных экспериментов с реальной отливкой ристик и стабильных геометрических параметров. В этой связи особое внимаение следует уделять технологическим вопросам изготовления лопаток турбины.
Технологический процесс кристаллизации отливок лопаток турбины сопровождается изменением размеров вследствие температурных и структурных усадочных деформаций, проявляющихся в виде объемной усадки и коробления. Высокие термоусадочные деформации приводят к короблению керамической формы, стержня, оформляющего внутреннюю полость лопатки, а также смещению стержня на одну из сторон отливки. Это приводит к разнотолщинности стенок со стороны корыта и спинки. Таким образом, для получения изделиий с заданной конструктором геометрией необходимо заранее учитывать и прогнозировать возможность появления деформаций. Однако для этого необходимо заранее знать механическое поведение жаропрочного сплава отливки лопатки. Поэтому, выбор технологического режима процесса изготовления отливок рабочих лопаток с минимальными короблениями – значимая научно-исследовательская задача.
В рамках данной работы решение задачи прогнозирования напряженно-деформированного состояния отливок лопаток проводилось с помощью методов численного моделирвания в модуле Stress программного продукта ProCast. При этом решалась полная контактная задача определения НДС в упрогопластической постановке деформируемая керамическая форма – деформируемая отливка.
Степень адекватности используемого программного комплекса была показана в работах [34, 86].
Для расчета напряжений в отливках лопаток турбины из жаропрочного никелевого сплава ЖС30–ВИ в программном продукте ProCast необходимо задать такие параметры, как: электропроводность, плотность, энтальпия и количество твердой фазы сплава. Графические зависимости изменения данных параметров от температуры металла рассчитаны ранее и представлены на рисунках 3.7 – 3.12.
Механические характеристики сплава – модуль Юнга, коэффициент Пуассона и коэффициент линейного расширения, необходимые для моделирования деформации отливки лопаток и определения усадки металла после кристаллизации – были вычислены в модуле CompuTherm Material программного продукта ProCast и сравнены со справочными данными. Расхождение данных составило 0,3–0,5% (является незначительным и допустимым). Графические зависимости данных параметров от температуры представлены на рисунках 3.24 – 3.26.
Встроенными средствами программного комплекса ProCast на основании справочных данных (таблица 3.3) были рассчитаны следующие механические характеристики материала ЖС–30ВИ в зависимости от температуры: предел текучести (0,2, МПа), предел прочности (В, МПа), относительное удлинение образца (Б, %) (рисунки 3.27 – 3.30). Представленные характеристики необходимо замерять при различных температурах для данного материала. Для расчета напряженного состояния отливки в СКМ ЛП ProCast необходимо использовать модуль упрочнения (Н, МПа), который рассчитывается по формуле (3.2): Н = (В - 0,2)/ Б 100………………………….(3.2) На рисунке 3.30 представлен график изменения модуля упрочнения в зависимости от температуры.
Для зависимости предела текучести рекомендуется учесть значение, соответствующее температуре ликвидуса и равное 5–10 МПа при 50-ти процентной кристаллизации. Соответственно получаем следующие значения: T=1356 0С, В = 10 МПа, Н = 0 МПа и TL=1375 0С, В = 5 МПа, Н = 0 Мпа.
Зависимость предела текучести сплава ЖС30–ВИ от температуры характеристик сплава ЖС30–ВИ появилась возможность использования линейно-упругой модели деформаций при расчете величины термической усадки и коробления отливки в процессе кристаллизации. 103 Рисунок 3.28 – Зависимость предела прочности сплава ЖС30–ВИ от температуры 18 - 16 " 14 " 12 - 10 " 8 - 6 4 - 2 - 0 - У "" 20 600 700 750 800 850 900Температура, 0С Рисунок 3.29 – Зависимость относительного удлинения сплава ЖС30–ВИ от температуры 3500.00 п 3000.00 - 2500.00 - 2000.00 - 1500.00 - 1000.00 - 500.00 - \ \ V / 0.00 і 20 600 700 750 800 850 900 1356 1375Температура, 0С Рисунок 3.30 – Зависимость предела упрочнения сплава ЖС30–ВИ от температуры
Разработанный подход для расчета основных механических характеристик сплава ЖС30–ВИ (рисунки 3.24 – 3.30) был экспериментально апробирован в работах [16, 141, 143]. Расхождение по величине термической усадки сплава в среднем составило 1,2 мм (0,6 %), что послужило доказательством эффективности предложенной деформационной модели и ее пригодности для компьютерного расчета технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД.
Численное моделирование комплексного технологического процесса изготовления рабочих лопаток турбины ГТД с использованием затравок проводилось в соответствии с разработанной блок-схемой цифрового двойника ТП (рисунок 3.1). Согласно разработанной методике (рисунок 3.1 б) в препроцессор программного продукта были импортированы результаты предварительных вычислений по прогреву графитовой опоки и керамической формы, а также подготовленные в главе 3.2 теплофизические параметры ТП.
Проведение численного исследования многофакторного эксперимента, связанного с поиском оптимальных условий протекания технологического процесса, осуществлялось в соответствии с моделью полного факторного эксперимента. На основании экспертных оценок специалистов литейного предприятия была собрана вся необходимая априорная информация, анализ которой позволил выбрать экспериментальную область факторного пространства [4, 5, 7, 11, 14, 23, 45, 69, 81, 84, 102, 113, 114].