ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ «ПОЛИГОН»
ПРИ ОСВОЕНИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД

, , В

»

Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют» проектирует и производит авиационные газотурбинные двигатели и наземные энергетические газотурбинные установки. В составе литейного производства на ММПП «Салют» функционируют 3 цеха, на которых изготавливают заготовки различной номенклатуры деталей литьем в землю, в кокиль, по выплавляемым моделям. Номенклатура применяемых материалов: чугуны, различные стали, никелевые жаропрочные сплавы, алюминиевые сплавы и т. д.

На основании опыта литейного производства ММПП «Салют» можно выделить две задачи, решение которых требует применения программного обеспечения:

Первая задача – совершенствование технологии и повышение выхода годных отливок в серийном производстве – требует углубленного учета реальных условий получения отливок с целью выявления причин возникновения дефектов и правильного определения способов их устранения.

Вторая задача – разработка литниково-питающей системы (ЛПС) для получения единичных литых заготовок опытных изделий в сжатые сроки без изготовления оснастки. В этом случае ведется расчет ЛПС для стандартных температурно-временных параметров процесса и разрабатывается электронная модель блока отливок для изготовления модельного блока на установках быстрого прототипирования. На ММПП «Салют» введены в эксплуатацию две таких установки: ThermoJet и SLA-7000.

Для решения обоих вышеуказанных задач на » была приобретена и внедрена система автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП) «Полигон» разработки центрального НИИ материалов, г. Санкт-Петербург совместно с фирмами «Фокад», г. Санкт-Петербург и «Тесис», г. Москва.

Процесс моделирования с применением САМ ЛП «Полигон» включает в себя следующие этапы:

1.  Создание электронной модели отливки.

2.  Создание электронной модели литниково-питающей системы (ЛПС).

3.  Генерация конечно-элементной сетки по созданным моделям.

4.  Согласование с цехом-изготовителем отливки условий заливки: температура металла, температура формы, способ заливки, условия охлаждения формы и т. п.

5.  Подбор теплофизических свойств металла и других материалов.

6.  Расчет процесса заполнения формы металлом.

7.  Расчет процесса затвердевания отливки.

8.  Изучение результатов моделирования совместно с технологом, внесение изменений в конструкцию ЛПС, изменение параметров технологического процесса.

9.  Повторение п. п. 2, 6, 7, 8 до получения удовлетворительного результата.

За время внедрения САМ ЛП «Полигон» на ММПП «Салют» было промоделировано в общей сложности до 80 деталей серийного и опытного производства.

Система показала свою высокую эффективность. Прогноз макро - и микропористости в отливках, данный системой САМ ЛП «Полигон», практически всегда подтверждался результатами заливки.

В серийном производстве проведение анализа с использованием моделирования в ряде случаев позволило выработать рекомендации по снижению уровня брака по усадочным дефектам.

Проектирование новой конструкции ЛПС типа «рамка» для литой заготовки рабочей лопатки турбины низкого давления (рис. 1) было проведено с использованием моделирования. Деталь изготавливают литьем по выплавляемым моделям из высокожаропрочного никелевого сплава. Недостаток серийной технологии – периодически возникающий брак по усадочной рыхлоте в районе бандажной полки, частично профиля и замка (рис. 2).

Рис. 1

Рис. 2

Специалистами ММПП «Салют» была предложена новая концепция размещения отливок в блоке.

Размещение лопаток и элементов ЛПС в литейном блоке новой конструкции, а также температурно-временные характеристики процесса полностью были отработаны в вычислительном эксперименте.

При первоначальном варианте конструкции блока также не удавалось стабильно получить плотную отливку. Периодически возникала рыхлота в бандажной полке в районе цилиндрического питателя.

Моделирование гидродинамики заполнения формы расплавом показало, что образование рыхлоты зависит от того, заполнит полку относительно холодный расплав, поступающий туда через перо лопатки, или горячий расплав, поступающий через питатель. В случае поступления горячего расплава образовывалась рыхлота.

Для устранения этого недостатка ЛПС было предложено убрать питатель и обеспечить гарантированное получение плотного металла в бандажной полке применением местной прибыли.

Оптимальный вариант, гарантирующий получение плотной отливки, заключается в питании полки местной прибылью через цилиндрические питатели щелевым питателем на гребешок лопатки (рис. 3).

Рис. 3

Анализ литейного процесса для следующей детали - «Корпус» (рис. 4) был также проведен с целью выработки рекомендация для снижения дефектов усадочного происхождения.

Деталь изготавливают литьем в кокиль из алюминиевого сплава.

Рис. 4

Для определения причин образования усадочных дефектов был промоделирован процесс литья с конструкцией литейного блока и технологическими параметрами, используемыми в производстве.

В результате моделирования было определено, что главная причина образования усадочных дефектов в теле отливки – недостаточная площадь контакта местной конической прибыли с телом отливки, вследствие чего в теле отливки образуется тепловой узел (рис 5) и усадочная рыхлота (рис. 6).

Рис. 5

Рис. 6

Для улучшения условий питания отливки были промоделированы несколько вариантов конструкции литейного блока с увеличенной площадью контакта местной прибыли с отливкой. По итогам моделирования были рекомендован возможный вариант изменения конструкции литейного блока (рис. 7).

Рис. 7

Проведенное моделирование показало, что в обоих вариантах конструкции литейного блока усадочной макропористости в теле детали не образуется, все тепловые узлы выводятся в местные прибыли (рис. 8).

Рис. 8

При подготовке производства литых заготовок тонкостенных корпусных деталей нескольких наименований по заказу французской фирмы «Snecma» с использованием моделирования в сжатый срок отработана конструкция ЛПС для получения качественных заготовок. Деталь изготавливают литьем по выплавляемым моделям из никелевого жаропрочного сплава.

С применением моделирования были проработаны 3 варианта конструкции ЛПС для детали «обойма левая боковая» (рис. 9). По результатам теплового и усадочного расчетов был определен оптимальный вариант ЛПС, который внедрен в производство (рис. 10).

Рис. 9

Рис. 10

В опытном производстве проведение анализа с использованием моделирования позволило получать первые экземпляры опытных отливок в короткие сроки.

Как было указано выше, на ММПП «Салют» для получения первых партий опытных отливок используются две установки быстрого изготовления прототипов: ThermoJet и SLA-7000 фирмы 3D Systems (рис. 11).

Рис. 12

Установки предназначены для получения восковых (ThermoJet) и фотополимерных (SLA-7000) моделей отливок и модельных блоков любой сложности без использования оснастки. Изготовленные модели могут быть использованы как:

- выжигаемые, для непосредственной формировки детали при разовом литье, когда необходимо оценить геометрию (конструкцию) на макете и правильность выбора технологических факторов (усадка, методика литья и прочее);

- мастер-модель для использования ее при быстром изготовлении сравнительно недорогой силиконовой прессформы, позволяющей в вакууме сформировать 50-60 штук, необходимых для изготовления малых партий деталей. Это позволяет изготовить в короткие сроки один-два комплекта для соответствующего испытания и отработки конструкции для серии;

- мастер-модель для изготовления полимерных прессформ из термостойкой армированной смолы для получения восковок для точного литья.

Исходными данными для изготовления прототипов на таких установках являются трехмерные электронные модели, созданные в CAD – системе. На ММПП «Салют» в качестве базовой принята CAD – система UNIGRAHPICS.

Для примера на рис. 13 показана отливка, изготовленная по фотополимерной модели без использования оснастки.

Рис. 13. а) стереолитографическая модель, б) керамическая форма, в) отливка колеса соплового аппарата, полученная с применением технологии быстрого прототипирования.

Для пользователя–практика немаловажное значение имеет вопрос сроков проведения моделирования для выработки технологических решений.

Как показала практика, при проведении моделирования самым трудоемким, соответственно долгим, является этап преобразования геометрических моделей, созданных в CAD системе, непосредственно в конечно-элементную модель, на которой будет производиться расчет, т. е. генерация конечно-элементной сетки.

На других этапах работы на время вычислительного эксперимента влияют: возможности самой CAD-системы, квалификация пользователя (построение геометрических моделей) и быстродействие вычислительной техники (проведение расчета).

Для более быстрого проведения операции генерации КЭ сетки лучше пользоваться CAD-системами, которые имеют встроенный генератор сетки. Так удается избежать операции исправления ошибок геометрии, практически неизбежных при трансляции геометрических моделей в универсальные форматы передачи данных IGES, STEP и др. для передачи в сторонние генераторы.

На ММПП «Салют» в качестве конструкторского стандарта 3D-проектирования принята CAD-система Unigraphics. Эта система позволяет строить детали любой сложности, также имеет мощный генератор конечно-элементной сетки.

За время использования генератора КЭ сетки Unigraphics была отработана схема максимально эффективного его использования.

Выводы. По результатам внедрения САМ ЛП «Полигон» могут быть сделаны следующие выводы:

1.  САМ ЛП «Полигон» может быть использована для оптимизации конструкции ЛПС для деталей практически любой степени сложности, а также температурно-временных параметров технологического процесса при литье в оболочковые формы, песчаные формы и в кокиль на воздухе и в вакууме.

2.  САМ ЛП «Полигон» позволяет оценить эффективность ЛПС, предложенных технологом, на стадии разработки техпроцесса и выбрать наиболее оптимальный вариант для получения качественной отливки, не прибегая к дорогостоящим опытным плавкам. Применение САМ ЛП «Полигон» позволяет существенно сократить время отработки ЛПС, повысить качество принимаемых конструктивных и технологических решений при существенном сокращении материальных затрат на опытную отработку технологии литья.

Заключение

Для улучшения адекватности результатов при моделировании литейных процессов на ММПП «Салют» проводится работа по определению и уточнению исходных данных для расчета – температурных и временных параметров процесса, конструкции технологического оборудования, а также теплофизических свойств материалов.

Для эффективного использования САМ ЛП «Полигон» на ММПП «Салют» создано подразделение, укомплектованное специалистами, имеющими знания в области технологии литейных процессов, теории тепло - и массообмена, в области металловедения литейных сплавов, математических методов численного решения дифференциальных уравнений, а также опыт математического моделирования технологических процессов.

На ММПП «Салют» внедрена технологическая инструкция, которая определяет порядок освоения и запуска в производство литых деталей по выплавляемым моделям. Она предполагает внедрение передовых приемов отработки технологического процесса с применением систем автоматизированного моделирования литейных процессов.