Совершенствование методики проектирования литниковых систем для отливок "Лопатка ГТД" на основе исследования процесса заполнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование методики проектирования литниковых систем для отливок «Лопатка ГТД» на основе исследования процесса заполнения

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

На правах рукописи

Равочкин Артем Сергеевич

Рыбинск - 2006 г.

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение, литье, сварка» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шатульский Александр Анатольевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Моисеев Виктор Сергеевич кандидат технических наук, доцент Токарев Владимир Адольфович

Ведущее предприятие ОАО «НПО «Сатурн»

Защита состоится «22» ноября 2006 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева

Автореферат разослан « 19 » октября 2006 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1. Экспериментальное и теоретическое изучение тепловых и гидродинамических особенностей течения расплава в протяженной полости керамической формы переменного сечения и построение математической модели процесса заполнения;

2. Разработка методики расчета процесса истечения расплава из тигля плавильно-заливочной установки;

3. Разработка методики расчета охлаждения фронта потока расплава при его течении в каналах литниковой системы;

4. Теоретическое и экспериментальное изучение процесса нагрева литейной формы на стадии ее заполнения расплавом;

5. Разработка программного обеспечения проектирования литниково-питающих систем для отливок «Лопатка», изготавливаемых методом литья по выплавляемым моделям из никелевых жаропрочных сплавов;

6. Проведение промышленных испытаний и опробования основных результатов исследования и разработанного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

1. 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;

2. 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;

3. Разработана математическая модель процесса заполнения полости формы расплавом, позволяющая рассчитать оптимальные параметры заливки, выбор которых обеспечивает сокращение количества дефектов на стадии заполнения;

4. 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:

1. Разработаны методики расчета параметров литниковой системы для отливок «Лопатка», температурных полей формы на стадии ее заполнения расплавом, обеспечивающие сокращение уровня брака отливок;

2. 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:

1. 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.

2. Математическая модель заполнения полости формы расплавом, которая включает законы сохранения и систему критериев гидродинамики, накладывающих ограничения на режимы заливки форм.

3. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и задачи исследований, приведены основные научные положения и результаты, вынесенные на защиту.

В первой главе произведен анализ литературных данных по вопросам:

- Анализа условий эксплуатации отливок «Лопатка»;

- Способов изготовления отливок «Лопатка»;

- Методов моделирования литейных процессов. Особое внимание уделено методам физического и математического моделирования литейных процессов. Показано, что имеющиеся методы расчета заполнения форм можно условно разделить на три основные группы:

1) эмпирические, являющиеся результатом статистической обработки экспериментальных и производственных данных;

2) теоретические, полученные на основе использования в качестве исходной, модели течения расплава в пробах на жидкотекучесть;

3) теоретические и полуэмпирические, учитывающие в той или иной степени специфику заполнения рабочих полостей форм.;

- Современных систем автоматизированного проектирования.

На основе анализа литературных данных сформулированы основная цель и задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы и методика исследований. Исследования проводили на промышленных литейных жаропрочных никелевых сплавах, которые в настоящее время широко применяются для изготовления рабочих и сопловых лопаток, цельнолитых роторов, деталей камер сгорания газовых турбин различного назначения.

Необходимые в процессе исследований отливки и образцы получали методами литья по выплавляемым моделям по серийным технологиям. Физическое моделирование процесса заполнения полости формы расплавом проводили на специально сконструированной установке с применением прозрачных литейных форм, позволяющих в широких пределах изменять конфигурацию, размеры отливок, элементов литниковых систем и расход жидкости из ковша. Выбор размеров элементов и типа моделирующей жидкости осуществлялся на основании анализа технологических процессов литья, теории подобия по равенству определяющих критериев Рейнольдса, Вебера и Фруда.

Обработку данных проводили с использованием пакетов «Statistica» и «Statgraphics».

Третья глава посвящена анализу причин возникновения брака отливок, возникающего на стадии заполнения полости формы расплавом с помощью методов гидромоделирования, изучению структуры и свойств отливок. При проведении исследований для анализа результатов были использованы классификации отливок, основанные на геометрических классификационных признаках, согласно которой выделены 4 класса лопаток и 4 типа литниково-питающих систем. Анализ брака для различных типов литниково-питающей системы показывает, что основными его видами являются засор, шлаковые включения, плена, то есть дефекты, возникающие, как правило, на стадии заполнения. Для изучения механизма образования на стадии заполнения полости формы расплавом дефектов проведено гидромоделирование процесса течения расплава в полости литейной формы. Исследования проводились на полностью прозрачных формах или комбинированных, которые по своим размерам были идентичны реальным блокам, применяющимся в литейных цехах. Расход моделирующей жидкости принимался таким же, что и для реальных блоков при заливке металла и контролировался по времени заливки.

С целью установления зависимости между размерами внутренней полости литейной формы, параметрами заливки и условиями течения расплава для оценки геометрических особенностей строения отливки было предложено использовать параметрические критерии. Из большого числа вариантов с учетом анализа большой партии различных отливок, изготавливаемых на различных предприятиях был выбран симплекс, равный отношению средней толщины пера лопатки к его длине (Кг), который, как показали эксперименты, достаточно адекватно описывает особенности отливки и процесса течения расплава в полости формы.

В ходе моделирования было установлено, что при использовании для изготовления протяженных отливок с Кг < 0,02 ЛПС 1 типа с горизонтальными литниковыми ходами весьма вероятно комбинированное заполнение полости формы расплавом и снизу, и сверху (рис. 1) и возникновение области с повышенным содержанием дефектов в зоне встречных потоков. Для отли вок с Кг > 0,025 этого явления не наблюдается. Подобного эффекта при использовании ЛПС III типа с нижним литниковым ходом и верхней прибылью не наблюдалось (рис. 2). Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие основные выводы:

1) практически для всех типоразмеров отливок и параметров заливки характерно неравномерное движение фронта потока расплава по сечению полости формы. Имеет место более высокая скорость движения по толстой части пера лопатки и меньшая по тонкой части. При увеличении скорости движения потока на входе в перо и значения критерия Рейнольдса такая неравномерность становится более заметной.

1 = 0,2 с 2 = 0,8 с 3 = 1,5

Рисунок 1 - Характер движения потока моделирующей жидкости в полости литейной формы (ЛПС I типа Кг < 0,02)



с 1 = 0,2 с 2 = 0,8 с 3 = 1,5 с

Рисунок 2 - Характер движения потока моделирующей жидкости в полости литейной формы (ЛПС III типа Кг > 0,025)

Это приводит к возникновению проточно-поперечного движения жидкости и растеканию ее в тонкую часть, что, естественно, вызывает дополнительную турбулизацию потока. Для тех лопаток, у которых толщина пера на входной и выходной кромках отличается значительно меньше (max/min < 2), это явление проявляется в меньшей степени.

2) в нижней части полости литейной формы из-за наличия бандажной полки, значительного изменения площади сечения, а при подводе расплава перпендикулярно оси пера лопатки и за счет изменения направления движения жидкости, возникает зона неустойчивого, неупорядоченного движения потока, длина которой по мере увеличения значения числа Рейнольдса увеличивается. При подводе жидкости в полость формы параллельно направлению оси пера лопатки эта зона практически не наблюдается;

3) далее по высоте пера образуется еще две зоны, ламинарная в средней части и турбулентная в верхней части. Экспериментально и на сновании анализа производственных данных установлено, что наличие и протяженность этих зон влияет на количество возникающих дефектов отливок и зависит от параметров заливки, типа ЛПС, класса и размеров отливки, описываемых значением критерия Рейнольдса и параметрическим критерием Кг.

Результатом проведенных исследований явилось разделение отливок на три группы сложности и определение критических значений критерия Рейнольдса, которые представлены в табл. 1, обеспечивающих минимальное количество дефектов на стадии заполнения полости формы расплавом.

1. отливки простой конфигурации - с высоким значением параметрического критерия (Кг>0,030) при увеличении скорости заливки уровень брака остается в пределах 10 % даже при значениях числа Рейнольдса до 1000;

2. отливки средней сложности - со значением параметрического критерия 0,035 > Кг > 0,025 увеличение скорости течения расплава и значения числа Рейнольдса выше 750 приводит к увеличению брака до 15 - 20 %;

3. отливки сложной конфигурации - с низким значением параметрического критерия Кг < 0,025 увеличение скорости и значения числа Рейнольдса выше 500 приводит к значительному до 25 -35% увеличению брака.

температурный литейный расплав заполнение

Таблица 1

Группы сложности отливок и критические значения критерия Re

Тип	Класс	Группы сложности отливки «Лопатка»
ЛПС	отлив	простые	средней сложности	Сложные
	ки	Кг	Reкрит	Кг	Reкрит	Кг	Reкрит
I	I	>0,035	1000	0,035>Кг>0,025	750	<0,025	500
I	II	>0,035	800	0,035>Кг>0,025	700	<0,025	500
III	I	>0,027	1000	0,027>Кг>0,020	750	<0,020	500
III	II	>0,027	800	0,027>Кг>0,020	700	<0,020	500
III	III	>0,027	1000	0,027>Кг>0,020	750	<0,020	500

В четвертой главе описана обобщенная методика процесса заполнения полости форм расплавом, которая включает в себя уравнения истечения расплава из ковша (1), изменения скорости фронта потока (2), и температуры фронта потока (3) и позволяет выбирать оптимальные параметры заливки, обеспечивающие минимальный уровень брака.

 (1)

(2)

(3)

где V1, V2 - расход расплава из ковша, м3/с; - угол наклона стенок ковша по отношению к вертикали, рад; H - высота ковша, м; R - радиус ковша, м; - угол поворота ковша, рад/с; - коэффициент расхода; i - сопротивление системы на i -том участке заполнения; Vi- расход на i -том участке заполнения,м3/с; Fуз- площадь узкого сечения ЛПС, м2; wуз - скорость течения расплава в узком сечении ЛПС,м/с; wi - скорость течения расплава на i -том участке заполнения формы, м/с; tзал, tкр, tф -температуры заливки, кристаллизации и формы начальная, оС; li - протяженность i -того элемента заполнения полости формы, м; i - толщина i-го элемента заполнения формы, м; cм, м - удельная теплоемкость, Дж/(кг К) и плотность металла, кг/м3 в жидком состоянии; bм, bф - коэффициенты тепловой аккумуляции металла и формы, Вт с0,5/(м2 К); L - скрытая теплота кристаллизации, Дж/кг ; i - коэффициент теплоотдачи на i -том участке формы, Вт/(м2 К); k =ctgtg.

Основными недостатками данной методики является недостаточно полное описание процесса истечения расплава из ковша, отсутствие учета потери теплоты в струе расплава и при его течении по каналам литниковой системы.

Особенностью истечения расплава из конического ковша является то, что металл, вытекая из ковша, имеет начальную горизонтальную скорость, зависящую от расхода и также обладающую переменным характером. В некоторых случаях она компенсируется с помощью специального носика, но в случае применения ковшей-тиглей такой носик, как правило, отсутствует. Таким образом, расплав вытекает из ковша в горизонтальном направлении, после чего под действием силы тяжести падает вниз. Так как скорость не постоянна, наблюдается качание струи. Величина отклонения струи от точки истечения в горизонтальном направлении зависит от высоты расположения ковша над формой и может определяться по следующей методике:

(4)

(5)

(6)

Так как заливка литейной формы расплавом осуществляется в вакуумных плавильно-заливочных установках, то передача тепла от струи в окружающее пространство осуществляется излучением. Таким образом, уравнение теплового баланса имеет вид:

Q1=Q2 (7)

где Q1 - количество теплоты, передаваемое с поверхности расплава в окружающее пространство; Q2 - изменение теплосодержания струи металла.

(8)

Сравнение расчетных и экспериментальных данных представлено на рис. 3.

- - расчетное значение,

х - экспериментальные данные

Рисунок 3 - Изменение падения температуры расплава в струе

При движении расплава в стояке падение его температуры можно рассчитать по формуле:

(9)

qтеч - удельная теплота течения металла в стояке, которая рассчитывается по методике, предложенной С.С. Жуковским.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных представлено на рис. 4.

Для реализации данного алгоритма было создано программное обеспечение, которое состоит из 6 модулей. В первом модуле находится база данных сплавов для отливок, с необходимыми физическими характеристиками сплава, во втором модуле имеется база данных материалов формы, с необходимыми физическими характеристиками. Эти базы являются открытыми, то есть, возможен ввод новых материалов с известными свойствами.

- - расчетное значение,

х - экспериментальные данные

Рисунок 4 - Изменение падения температуры расплава в стояке

С помощью третьего модуля производится ввод параметров литья. В четвертом модулесовершается ввод размеров отливки, а именно размеры замка, бандажной полки и пера лопатки. Пятый модуль - расчетный, где производится расчет падения температуры в струе расплава, в стояке, в элементах ЛПС, в отливке, а также расчет нагрева формы на стадии ее заполнения расплавом. Шестой модуль формирует отчет о проведенных расчетах в текстовом формате. Пример отчета, сформированного программой, приведен в приложении. Интерфейс и структура программного обеспечения представлены на рис. 5.

Пятая глава посвящена разработке методики определения температурного поля формы на стадии ее заполнения расплавом. В большинстве существующих современных САПР ТП ЛП изменение температуры формы на стадии ее заполнения расплавом не рассчитывается и поэтому допускается, что в начальный момент затвердевания металла температура формы равна начальной. Анализ производственного опыта, многочисленных собственных экспериментальных данных, литературных источников показывает, что это не соответствует действительности и форма, а особенно ее поверхностный слой успевают нагреться до достаточно высоких температур. Это в свою очередь приводит к получению достаточной серьезных ошибок при расчете процесса заполнения полости формы и затвердевания отливки в форме. Поэтому разработка методики расчета температурных полей формы на стадии ее заполнения металлом является достаточно актуальной задачей.

Расчет значений коэффициентов теплоотдачи от движущегося расплава к поверхности формы осуществлялся по уравнениям подобия [52]:

Рисунок 5 - Интерфейс программного обеспечения

при Reж <500 Nuж = 0,43. Reж 0,4 .Prж 0,33

1000 > Reж > 500 Nuж = 0,26. Reж0,52 .Prж 0,33 (10)

Reж > 1000 Nuж = 0,17. Reж 0,7 .Prж 0,49

Тогда коэффициент теплоотдачи ? определяется

(11)

Для расчета температурных полей по высоте форма делится на участки, высотой hj , а по толщине на n отдельных слоев i соответствующей толщины (рис. 6). Так как оболочковая форма литья по выплавляемым моделям состоит из определенного количества последовательно нанесенных и отвержденных слоев связующего с огнеупорной обсыпкой, то в качестве i была выбрана толщина одного слоя формы, равная ~ 1 мм. Таким образом, расчет температур осуществляется для каждого отдельного i слоя.

При разработке методики были приняты следующие допущения:

1. Передача теплоты в литейной форме осуществляется только теплопроводностью, физические свойства формы постоянны;

2. так как значение коэффициента теплоотдачи ? изменяется в пределах от 1000 до 25000 Вт/(м2К), то Bi>>50, поэтому были выбраны граничные условия 1 рода, то есть температура поверхности формы равна температуре расплава (tпов=tраспл ) и она постоянна для каждого участка формы;

Рисунок 6 - Представление геометрии сечения литейной формы для пера Лопатки

3. так как продолжительность стадии заполнения полости формы расплавом не велика (и для данного типа отливок не превышает 2- 5 секунд, а толщина формы без опорного наполнителя изменяется от 6 до 12 мм), допускаем, что форма полубесконечна, то есть ее температура на наружной поверхности остается неизменной и равной начальной.

Тогда, при сформулированных допущениях математическая модель процесса нагрева формы имеет вид:

 (12)

Решение уравнения (12) было получено в виде:

(13)

Для расчета температурных полей формы был составлен алгоритм и программное обеспечение, сравнение расчетных и экспериментальных значений температур приведено на рис. 7. Оно показало их хорошее совпадение.

Таким образом, предложенная методика расчета вполне адекватно описывает реальный процесс нагрева литейной оболочковой формы литья по выплавляемым моделям и может быть рекомендована для использования в производственных условиях, что позволит значительно повысить точность расчетов температурных полей отливки на стадии ее заполнения.

Рисунок 7 - Изменение температуры по сечению литейной формы

Выводы по работе

1. Доказано наличие корреляционной связи между типоразмером отливки, конструкцией ЛПС, параметрами заливки и видами брака, возникающими во время течения расплава в полости формы, что позволяет прогнозировать вероятность возникновения дефектов еще на стадии проектирования технологического процесса литья.

2. Разработана обобщенная методика выбора оптимальных параметров заливки и размеров ЛПС, которая включает в себя методики расчета: истечения расплава из тигля плавильно-заливочной установки, падения температуры в струе металла и в каналах литниковой системы, температуры фронта потока расплава и скоростей, температурных полей в литейной форме на момент окончания заливки, что обеспечивает получение отливок без традиционных для стадии заполнения полости формы расплавом литейных дефектов.

3. Разработан алгоритм расчета заполнения полости формы расплавом и соответствующее программное обеспечение для моделирования процесса. Применение данного программного обеспечения позволяет сократить время проектирования технологического процесса на 25-30% за счет исключения экспериментальной доводки блока моделей и снизить уровень брака на 15%.

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях

1. Равочкин А.С. Определение коэффициентов расхода элементов литниковых систем литья по выплавляемым моделям [Текст] / Равочкин А.С., Шатульский А.А., Изотов В.А. // Тез. докл. Новые материалы и технологии НТМ 2004, Москва, РГТУ МАТИ.-2004, - с.40-41

2. Равочкин А.С. Совершенствование методики расчета параметров литья по выплавляемым моделям для отливок Лопатка [Текст] / Равочкин А.С., Шатульский А.А., Изотов В.А. // Материалы межд. Научн. техн. конф. Высокие технологии в машиностроении, Самара.-2004 г. - с.153-155

3. Равочкин А.С. Сравнительная оценка систем автоматизированного проектирования технологических процессов литья [Текст] / Равочкин А.С., Шатульский А.А., Изотов В.А. // Материалы научн.техн.конф. Моделирование и обработка информации в технических системах, Рыбинск, РГАТА.-2004г. - с.137-138

4. Шатульский А.А. Определение коэффициентов расхода расплава для элементов литниковых систем литья по выплавляемым моделям [Текст] / Равочкин А.С., Шатульский А.А., Изотов В.А. // Заготовительные производства в машиностроении, 2005.- №6, с.6-10

5. Равочкин А.С. Автоматизированная система выбора типа ЛПС для отливок Лопатка [Текст] / Равочкин А.С., Шатульский А.А., Изотов В.А. // Материалы Всероссийской Научн.тех.конф. Теплофизика технологических процессов, Рыбинск.- 2005 г.- с.89-91

6. Равочкин А.С. Экспериментальное определение некоторых параметров литья по выплавляемым моделям при изготовлении тонкостенных протяженных отливок [Текст] / Равочкин А.С., Шатульский А.А., Изотов В.А. // Вестник РГАТА им. П.А. Соловьева №1-2 (5-6).- 2005 г.- с.53-60

Размещено на Allbest.ur

...