Введение к работе
Актуальность работы. В отечественном заготовительном производстве одной из главных проблем является повышение качества жаропрочных сплавов, предназначенных для изготовления ответственных деталей турбин ГТД и ГТУ, а также повышение технико-экономической эффективности производства. Одним из путей решения указанной проблемы является создание ресурсосберегающих технологий с применением технологических средств воздействия, позволяющих управлять затвердеванием слитков и обеспечивать требуемое качество.
Применение неавтоматизированных методов для проектирования таких технологий неэффективно, поскольку экспериментальный поиск рациональных параметров литья требует привлечения значительных материальных ресурсов, связан с продолжительными сроками и не гарантирует достижения цели.
В значительной мере решение данной проблемы зависит от эффективности применяемых систем автоматизированного моделирования (САМ) и систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) литья. Проектирование технологии производства слитков с использованием САМ литейных процессов, которые в последнее время получили широкое распространение на многих отечественных моторостроительных предприятиях для фасонного литья, представляется нецелесообразным из-за высокой стоимости таких программ, сложностью работы с ними и повышенными требованиями к техническим возможностям ПЭВМ. Кроме этого, САМ не позволяют напрямую рассчитывать параметры технологии.
В настоящее время, несмотря на достаточно большое число разработанных математических моделей (ММ) затвердевания литых заготовок для разных способов литья, проблема реализации корректных ММ в САПР ТП, позволяющих решать задачи оптимизации технологических процессов получения крупногабаритных отливок, в том числе слитков, специальными способами литья остается актуальной.
Практическая значимость темы подтверждается ее выполнением в рамках НИОКР 2007-2008 г.г. в ОАО «ВИЛС» - «2007/1-9» «Модернизация технологии производства слитков диаметром до 500 мм из сплава ЭИ698 с целью повышения выхода годного» и 2008/3-3 «Усовершенствование технологической оснастки и технологии литья литых заготовок диаметром 90 мм из сплавов типа ЖС, ВЖЛ и ЧС с целью повышения КИМ и исключения шлаковых включений».
Цель работы: повышение эффективности технологической подготовки производства и качества слитков из жаропрочных сплавов путем разработки и внедрения системы автоматизированного проектирования технологических процессов их литья с применением средств воздействия на формирование плотных литых заготовок в изложницах.
Для реализации указанной цели в работе поставлены следующие основные задачи исследований:
1. На основе тепловой теории литья разработать математическую модель,
позволяющую описать изменение температурного поля тонкостенной изложницы в
процессе затвердевания слитка при его плотном контакте с формой и через зазор;
2. Разработать методику расчета затвердевания слитков с учетом особенностей
их формирования в ограниченной в тепловом отношении форме;
3. Разработать методику расчета технологических средств воздействия
(конусности, переменной толщины стенки изложницы, тепловой изоляции на
наружной поверхности изложницы и комбинации этих средств) на направленность
затвердевания и непрерывность питания слитков;
Провести анализ влияния технологических параметров процесса литья слитков (толщины стенки изложницы, температуры заливки сплава, начальной температуры изложницы, величины расхода расплава при разливке) и эффективности применения различных технологических средств воздействия на их затвердевание;
Разработать методику расчета размеров прибыли и провести анализ эффективности работы разных типов прибылей;
Разработать алгоритмы расчетных методик и осуществить их объединение в пакет прикладных программ (ППП) для автоматизированного проектирования технологических процессов литья слитков;
Провести производственное опробование разработанного ППП с целью его передачи в промышленную эксплуатацию.
Научная новизна работы:
- математическая модель, позволяющая определять эффективный эквивалентный
коэффициент аккумуляции теплоты формой, учитывающий стадийность
формирования слитка (этапы плотного контакта слитка с изложницей и с зазором);
- методика затвердевания слитков в изложницах на основе синтеза решений
гидравлических и тепловых задач литья, учитывающих скорость заполнения
расплавом формы, начальное распределение температуры расплава в форме после
заливки и теплообмен слитка с ограниченной в тепловом отношении формой на разных стадиях его формирования;
- методика управления направленностью затвердеванием и питанием слитков с целью обеспечения их заданной плотности.
Практическая значимость работы заключается в разработке пакета прикладных программ для автоматизированного проектирования технологических процессов литья слитков из жаропрочных никелевых сплавов в изложницы с применением технологических средств воздействия на их бездефектное формирование.
Проведена оценка эффективности применения разных типов прибылей и технологических средств воздействия на формирование плотных слитков широкой номенклатуры.
ППП технологических процессов литья слитков из жаропрочных никелевых сплавов апробирован и передан в промышленную эксплуатацию в ОАО «ВИЛС».
Результаты работы используются в учебном процессе «МАТИ»-РГТУ имени К.Э. Циолковского.
Производственное опробование
Результаты работы внедрены на предприятии ОАО «ВИЛС».
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских н.т.к. «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2006, 2008, 2010 г.г.), Всероссийских н.п.к. «Применение ИПИ - технологий в производстве» (г. Москва, 2007, 2008, 2009, 2010 г.г.), Российской н.т.к. «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (г. Рыбинск, 2007 г.), н.п.к. «Инженерные системы 2009» (г. Москва).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 работ (из них 3 статьи в журнале «Технология легких сплавов», 1 статья в журнале «Литейщик России», входящих в список научных журналов, рекомендованных ВАК).
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 213 страницах, состоит из введения, 4 глав, общих выводов, библиографического списка из 123 наименований российских и зарубежных источников, 3 приложений, 17 таблиц и 68 рисунков.
