Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современный этап развития САПР литейной технологии, связанный с интенсивной разработкой интегральных детерминированных моделей литейных процессов и использованием мощных ПЭВМ, имеет вахатое значение для интенсификации технологических разработок и повышения их качества. В работе рассмотрен круг взаимосвязанных задач, лежащих в основе САПР литейной технологии, безотносительно к конкретному виду литья и типу заливаемого сплава. Акцент был сделан на решении актуальных вопросов, возникающих при литье под низким давлением (ЛНД). Выбор такого объекта исследования при достаточно общей постановке задачи работы продиктован стремлением найти новые решения общих проблем, в течение целого ряда лет остающихся весьма важными в теории и практике производства отливок. К ним в первую очередь следует отнести задачу информационного обеспечения численных моделей в САПР, а в общем случае - обеспечения технологических расчетов достоверной информацией о физико-химических характеристиках литейных сплавов и процессе их равновесной кристаллизации.
Проведенный анализ публикаций свидетельствует, что в настоящее время не существует полного математического описания совокупности процессов, происходящих при формировании отливок, изготавливаемых методом ЛНД. Однако, обобщение экспериментальных и теоретических исследований, а также научные разработки кафедры физико-химии литейных сплавов и процессов СПбТТУ в области численного моделирования литейных процессов создают основу для получения достоверных представлений о гидравлических и гидродинамических параметрах заливки форм, интенсивности теплообмена и распределении температур в отливке при затвердевании и остывании, а также кинетики формирования литой структуры.
Выбор и количественное определение рациональных параметров литейной технологии при ЛНД позволяет предупредить образование ряда характерных видов брака отливок, а также снизить временные и материальные затраты на разработку, корректировку и принятие технологического решения.
Диссертационная работа проводилась при финансовой поддержке мэрии С-Петербурга по направлению «Машиностроение» за 1997г.(грант М97-3.4К-111) и Программы фундаментальных исследований в области машиностроения по разделу «Литейное производство» (код 55.15) за 1997-1998г.г.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - на основе обобщения теоретических исследований и анализа экспериментальных данных сформировать концепцию и разработать методическое, алгоритмическое, программное и информационное обеспечение для базовых моделей САПР технологии изготовления отливок методом ЛНД с реализацией специализированного модуля САПР для решения комплекса задач;
анализ процесса кристаллизации разной степени неравновесное и создание информационной базы по свойствам сплавов (темп выделения твердой фазы, критические температуры, теплоты кристаллизации, теплоемкости, коэффициенты распределения компонентов между фазами и т.д.);
анализ движения расплава а также сопряженных теялофизических и гидродинамических процессов под действием регулируемого давления в системе тигель-металлопровод-полость вентилируемой литейной формы с целью количественного описания и изучения характера заполнения формы;
анализ образования газоусадочной пористости и зависимости плотности отливки от комплекса технологических и металлургических параметров, оказывающих влияние на характер затвердевания газосодержащего расплава в литейной форме;
подбор рациональных технологических параметров с целью получения высококачественных отливок из алюминиевых сплавов на основе детерминированной диагностики проектируемого технологического процесса.
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В рамках совокупности разработанных моделей модуля САПР литья под низким давлением описан комплекс взаимосвязанных процессов формирования отливки с целью активного системного анализа взаимосвязи конфигурации отливки, параметров технологии и развития литейных дефектов, а также объективной сравнительной оценки альтернативных вариантов технологии, аккумулирующих ценный систематизированный опыт проектных разработок.
Разработанный комплекс численных моделей включает:
термодинамическую модель многокомпонентных сплавов на основе алюминия, используемых при ЛНД, дающую численное представление процесса их кристаллизации при различной степени неравновесности с возможностью программной реализацией включения всей порождаемой при этом информации в разработанные численные модели литейных процессов;
модель движения расплава под действием регулируемого перепада давления в системе тигель-металлопровод-полость вентилируемой литейной формы на основе уравнения Бернулли, условий неразрывности потока и уравнений газодинамики, описывающих изменение давления на зеркале расплава в тигле установки и в полости формы;
модель гидродинамики на основе уравнений Навье -Стокса и неразрывности, решаемых для двухмерной области в декартовых и цилиндрических координатах с целью анализа циркуляции расплава при заливке и
количественной оценки распределения скоростей по сечению отливки, а также профиля свободной поверхности расплава;
модель образования газоусадочной пористости на основе уравнений
состояния водорода о жидком и кристаллизующемся расплаве при
фильтрации жидкой фазы в зоне затвердевания отливки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате выполнения работы:
накоплен оригинальный набор данных по физико-химическим характеристикам многокомпонентных сплавов АЛ2, АЛ4 и АЛ9, их зависимости от температуры и содержания компонентов сплава, в связи с чем обеспечено существенное уточнение расчетов, корректно отображающих особенности поведения промышленных сплавов при формировании фасонных отливок в условиях, максимально приближенных к реальным;
разработано программное обеспечение для численного моделирования процесса течения металла в системе тигелъ-металлопровод-полость вентилируемой литейной формы, обеспечивающее возможность расчета гидравлических параметров процесса заполнения формы заданной конфигурации и дающее возможность регулировать характер заполнения формы при нарастании рабочего давления, обеспечивая отсутствие таких явлений как фонтанирование, разбрызгивание струи, захват ею газовых включений и окисной плены с зеркала расплава;
разработана методика и программное обеспечение для компьютерного анализа, детерминированной диагностики проектируемой технологии с целью прогноза образования плен и газоусадочной пористости в зависимости от условий заполнения формы и затвердевания отливки, выбора рационального режима нарастания рабочего давления.
Результаты работы успешно использованы в учебном процессе СПбГТУ при подготовке инженеров-литейщиков и магистров по направлению «Металлургия», а также для анализа и предупреждения брака отливок в ОАО «Балтийский завод».
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: ). Концепция САПР ЛНД, построенной на основе системы физико-химических моделей, описывающих процессы, протекающие при формировании отливки, для разработай технологии и анализа условий получения качественных отливок.
-
Базовая термодинамическая модель литейного алюминиевого сплава для количественного описания процесса кристаллизации с учетом реачьной степени неравновесности, позволяющая обеспечить технологические расчеты достоверной информацией о его физико-химических характеристиках, зависящих от температуры и исходного состава.
-
Гидрогазом еханическая модель, описывающая процесс ЛНД со специфическими режимами заполнения формы, позволяющая проанализировать условия возникновения дефектов, вызванных
особенностями заполнения и циркуляции расплава. 4. Математическая модель формирования газоусадочной пористости в отливках
из сплавов на основе алюминия. ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи. Материалы диссертации докладывались на научно-методическом семинаре «Перспективные CAD/CAM/CAE-технологии в высшей технической школе» (Казань, 1997), научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (Санкт-Петербург, 1998). СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 121 страницах машинописного текста, содержат 15 таблиц, иллюстрированы 60 рисунками. Список литературы содержит 111 наименований.