Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс в области авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной степени определяется качеством и эксплуатационными характеристиками наиболее ответственных деталей – лопаток, которые в настоящее время изготавливают методами литья из никелевых жаропрочных сплавов. Однако на отливках выявляется более десятка различных дефектов, а общий уровень брака достигает 20–50%.
В значительной мере решение проблемы повышения качества отливок типа «Лопатка» зависит от достоверности и эффективности методов проектирования технологических процессов литья, термической обработки, а также возможности создания систем автоматизированного проектирования. Исследованиями российских и зарубежных ученых разрешен ряд важнейших теоретических и практических задач по проблемам литья. Так, на достаточно высоком уровне решены задачи затвердевания отливки в керамической форме, обеспечения качества форм и стержней, что явилось предпосылкой для создания пакетов прикладных программ, однако, некоторые вопросы остаются неразвитыми в достаточной степени.
К таким проблемам можно отнести в первую очередь задачи выбора типа литниково-питающей системы (ЛПС), определения ее оптимальных размеров, параметров заливки и условий заполнения полости формы расплавом, обеспечивающих получение отливок с минимально возможным уровнем брака.
В результате в настоящее время на производстве технологи используют или директивные руководящие материалы, основанные на обобщении производственного опыта, или упрощенные методики. Из-за большого разнообразия применяемых сплавов, типоразмеров отливок и видов ЛПС такой способ проектирования является весьма приближенным, и требует длительной экспериментальной доводки, что приводит к неоправданному увеличению сроков проектирования и материальных затрат.
Поэтому проблема повышения качества лопаток ГТД является весьма актуальной, многоплановой и требует комплексного подхода, сочетающего использование традиционных методов химического и физического анализа с современными методами математического и физического моделирования, статистического анализа, оптимизации и управления с использованием ЭВМ.
Цель работы. Развитие теории заполнения форм расплавом, методов проектирования литниково-питающих систем для повышения качества отливок «Лопатка ГТД» из жаропрочных никелевых сплавов.
Для достижения указанной цели требуется решение следующих основных задач:
-
Экспериментальное и теоретическое изучение тепловых и гидродинамических особенностей течения расплава в протяженной полости керамической формы переменного сечения и построение математической модели процесса заполнения;
-
Разработка методики расчета процесса истечения расплава из тигля плавильно-заливочной установки;
-
Разработка методики расчета охлаждения фронта потока расплава при его течении в каналах литниковой системы;
-
Теоретическое и экспериментальное изучение процесса нагрева литейной формы на стадии ее заполнения расплавом;
-
Разработка программного обеспечения проектирования литниково-питающих систем для отливок «Лопатка», изготавливаемых методом литья по выплавляемым моделям из никелевых жаропрочных сплавов;
-
Проведение промышленных испытаний и опробования основных результатов исследования и разработанного программного обеспечения.
Научная новизна работы:
-
Доказана возможность использования параметрических критериев для прогноза вероятности образования дефектов на стадии заполнения полости формы расплавом и затвердевания отливки для сифонных и комбинированных литниковых систем;
-
Установлено образование 3-х зон течения расплава, протяженность которых зависит от параметров литья и геометрии полости формы, возникновение зоны продольно-поперечного течения и турбулентной зоны течения приводит к увеличению количества дефектов;
-
Разработана математическая модель процесса заполнения полости формы расплавом, позволяющая рассчитать оптимальные параметры заливки, выбор которых обеспечивает сокращение количества дефектов на стадии заполнения;
-
Разработаны методики расчета истечения расплава из тигля плавильной установки и температурных полей в литейной форме на стадии ее заполнения, которые обеспечивают повышение точности выбора основных параметров литья.
Практическая значимость работы:
-
Разработаны методики расчета параметров литниковой системы для отливок «Лопатка», температурных полей формы на стадии ее заполнения расплавом, обеспечивающие сокращение уровня брака отливок;
-
Разработан пакет прикладных программ автоматизированного проектирования литниково-питающих систем, включающий решение технологических задач выбора типа литниково-питающих систем для отливок «Лопатка», определение полей скоростей и температур на фронте потока, оптимальных параметров заливки и размеров литниково-питающей системы.
Разработанные пакеты прикладных программ и рекомендации по совершенствованию технологического процесса литья опробованы на ОАО «НПО Сатурн».
Результаты работы в виде прикладных программ и методик проектирования литниково-питающих систем используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье, сварка» РГАТА им. П.А.Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту:
-
Параметрические критерии, полученные на основании статистичес- кого анализа большой партии производственных отливок позволяют определить класс сложности отливок и прогнозировать образование дефектов на стадии заполнения полости формы расплавом.
-
Математическая модель заполнения полости формы расплавом, которая включает законы сохранения и систему критериев гидродинамики, накладывающих ограничения на режимы заливки форм.
-
Методики расчета истечения расплава из тигля и температурных полей формы, позволяющие уточнить расчет температуры фронта потока расплава и подготовить данные для моделирования процесса затвердевания отливки.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении», Самара, 2004 г., на научно-технической конференции «Моделирование и обработка информации в технических системах», Рыбинск, 2004 г., на всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 49 рисунков, библиографический список содержит 83 наименования.
