Моделирование литейных процессов в системе Procast

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ PROCAST



Оглавление

литейный производство procast сплав

Введение

1. Современное состояние и проблемы литейного производства

1.1 История развития литейных процессов

1.2 Анализ проблем современного литейного производства и пути их решения

2. Системы моделирования литейных процессов

2.1 Обзор методов моделирования технологических процессов

2.2 Программы для моделирования литейных процессов

3. Лабораторные исследования литейных процессов

3.1 Программный комплекс для моделирования литья ProCAST

3.2 Моделирование отливки (технологические расчеты)

4.. Технологические исследования литейных процессов

4.1 Оборудование и техника эксперимента

4.1.1 Описание печи ЭКПС-10

4.1.2 Описание и принцип действия микроскопа «Olympus GX-51»

4.2 Исследование горячеломкости сплавов систем Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu

4.2.1 Пути снижения горячеломкости сплавов

4.2.2 Исследование горячеломкости сплавов системы Al - Si



Введение

Современную жизнь невозможно представить себе без металлов. Металлы являются основой технического прогресса, фундаментом материальной культуры всего человечества. Но металл становится полезным человеку только тогда, когда из него получили изделия.

Существует три основных вида получения изделий из металлов. Это литейное производство, обработка металлов давлением и обработка металлов резанием.

Сущность литейного производства сводится к получению жидкого, т.е. нагретого выше температуры плавления, сплава необходимого состава и качества и заливке его в заранее приготовленную форму. После охлаждения металл затвердевает и сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит.

Таким образом, чтобы изготовить отливку, необходимо:

1) определить материалы, которые нужно ввести в шихту для плавки, произвести их расчет, подготовить эти материалы (разделать на куски, отвесить нужное количество каждого компонента); загрузить материалы в плавильную печь;

2) осуществить плавку - получить жидкий металл необходимой температуры, жидкотекучести, должного химического состава, без неметаллических включений и газов, способный при затвердевании образовать мелкокристаллическую структуру без дефектов с достаточно высокими механическими свойствами;

3) до окончания плавки приготовить литейные формы (для заливки в них металла), способные, не разрушаясь, выдерживать высокую температуру металла, его гидростатическое давление и размывающее действие струи, а также способные пропускать через поры или каналы выделяющиеся из металла газы;

4) произвести выпуск металла из печи в ковш и доставить его к литейным формам; выполнить заливку литейных форм жидким металлом, не допуская перерывов струи и попадания в форму шлака;

5) после затвердевания металла раскрыть формы и извлечь из них отливки;

6) отделить от отливки все литники (металл, застывший в литниковых каналах), а также образовавшиеся(при некачественной заливке или формовке) приливы и заусеницы;

7) очистить отливки от частиц формовочной или стержневой смеси;

8) осуществить контроль качества и размеров отливок.



1. Современное состояние и проблемы литейного производства

История развития литейного производства неразрывно связана с этапами развития материальной культуры человеческого общества. Изменение в видах используемых человеком материалов отражалось на технических решениях, принимаемых при изготовлении из этих материалов литых изделий.

Когда древнему человеку удалось получить жидкий металл и осознать, что путем заливки в специально приготовленную форму ему можно придать любую конфигурацию ? это и было зарождение литейного производства.

В процессе развития литейное производство прошло 3 этапа:

1. Когда производство литья являлось ремеслом, а отливки представляли собой жизненно необходимые предметы быта;

2. Изготовление художественных отливок, многие из которых являлись произведением искусства;

3. Изготовление отливок разного назначения, что потребовало выявления закономерностей процесса формирования отливки, разработки научных основ литейного производства.

В самостоятельную научную дисциплину теория литейных процессов вылилась в середине 50-х годов, когда в 1955г. на первом совещании по теории литейных процессов этот термин был предложен Б.Б. Гуляевым.

Современная теория литейных процессов включает четыре основных раздела:

1. Теория плавки и обработки литейных сплавов в жидком состоянии;

2. Теория формирования отливки, т.е. формирования структуры и свойств отливки в процессе заливки, затвердевания и охлаждения металла в форме;

3. Теория литейной формы;

4. Теория обработки литейных сплавов в твердом состоянии, учитывающая специфику термической, пластической и других видов обработок литейных сплавов.

Опыт показывает, что все металлургические специальности между собой тесно связаны, и инженеры-металлурги должны быть готовы, даже если они не профессиональные литейщики, к работе в литейном производстве металлургического или машиностроительного предприятия или к необходимости контроля работы литейщиков в качестве потребителя продукции литейного производства.

Поэтому знание сущности технологического процесса получения отливки для специалиста-металлурга является необходимым, а в ряде случаев и обязательным, условием успешной профессиональной деятельности. Это в значительной степени относится и к специалистам различных машиностроительных специальностей.

1.1 История развития литейных процессов

История развития цивилизации неразрывно связана с освоением материалов. В этом плане трудно переоценить роль металла. Американский этнолог Генри Льюис Морган писал[1], что когда варвар научился получать и применять металл, тогда «девять десятых борьбы за цивилизацию было выиграно». Появление орудий из металла способствовало не только техническому прогрессу (в земледелии, строительстве, ремеслах), но и социальному: образование первых государств совпадает с началом бронзового века.

С металлом первобытный человек познакомился несколько тысячелетий тому назад. Имеются сведения, что примерно за 92 века до н. э. народности, населявшие территорию Анатолии (азиатскую часть современной Турции), употребляли медь, найденную в самородном виде. Золотые изделия появились примерно за 60 веков до н. э., а изделия из метеоритного железа -- примерно в XXX веке до н. э.[2].

Но для того чтобы получать отливки, человек должен был научиться плавить металл. На это потребовалось 47 веков. Самые древние отливки, обнаруженные археологами на территории Анатолии, Месопотамии, Ирана, датируются XLV веком до н. э. Спустя несколько веков технология литья была освоена народами, населявшими Кавказ, Северную Африку, Европу.

Литейная технология является одним из древнейших методов получения изделий из металлов. Сколько лет оно насчитывает, до сих пор не знает никто. Так, в 1991 г. на 58 Международном конгрессе литейщиков в г. Кракове X. Джеминг сделал доклад на тему: «6000 лет искусству литья», а в 1994 г. в Дюссельдорфе вышла книга Д. Энгельса «5000 лет литья металлов» [3]. Но древность этой технологии обработки металлов относительна.

Многочисленные археологические находки, обнаруженные при раскопках курганов в различных пунктах нашей страны свидетельствуют, что и в Древней Руси медное и бронзовое литье производилось в достаточно большом количестве (котелки, наконечники стрел, украшения - серьги, запястья, кольца, головные уборы и др.). При раскопках обнаружены были уцелевшие горны и печи, каменные формочки, служившие для отливки полых топоров, колец, браслетов, металлических бус, крестов и др. Однако большая часть найденных в Древней Руси отливок была получена литьем по восковой модели.[4]

Оригинален способ изготовления модели: из провощенных шнуров сплетали узор, представляющий копию будущего изделия; на эту восковую модель наносили глину, пока не получалась достаточно прочная форма, после высушивания форму прокаливали, воск выплавлялся, а шнуры выгорали, в образовавшуюся полость заливали металл, после охлаждения получалась отливка сложных очертаний.

В ХI в. на Руси возникли местные производственные центры для отливки предметов церковного (медные кресты, колокола, образки, подсвечники и др.) и домашнего (котелки, рукомойники и др.) обихода.

Помимо Киева, Новгорода Великого, крупными центрами по выпуску медно-литых изделий стали Устюг Великий, Тверь.

Татарское нашествие вызвало застой, продолжавшийся до середины ХIV в., после чего начался подъем литейного производства. Это объясняется тем, что создалось централизованное крупное государство, в связи с чем начали развиваться города и потребовалось вооружение, теперь уже огнестрельное. С производства сварных пушек перешли на бронзовые - литые, отливали колокола, создавали меднолитейные мастерские художественного литья. К середине ХVI в. московская артиллерия занимала в количественном отношении первое место среди артиллерии европейских государств.[5]

В начале XVIII в. по инициативе Петра I создается чугунолитейная промышленность на Урале, в центральных областях России (г. Липецк), вблизи Петербурга и в других районах страны. К концу XVIII в. только на Урале действовало около 130 заводов. По производству чугуна Россия вышла на первое место в мире и не только удовлетворяла свои нужды в металле, но и экспортировала чугун и железо за рубеж. До середины XVIII в. чугунные отливки получали непосредственно из чугуна доменной плавки. В 1774 г. заводчик А.Р. Баташев построил специальные опрокидывающиеся шахтные печи, которые послужили прототипом современной вагранки.[6] Применение его печей позволяло переплавлять чугун, полученный в доменных печах, т. е. получать чугун второй плавки. Благодаря этому в конце XVIII -- начале XIX в. литейное производство начало постепенно отделяться от металлургии; появились литейные цехи. Этому способствовало развитие машиностроительных заводов по производству котлов, паровозов, кузнечного и прокатного оборудования, станочного оборудования для обработки деталей машин. Так, в XIX в. были построены крупные литейные цехи на Коломенском, Сормовском, Брянском паровозостроительных заводах. Значительно раньше, в конце XVIII в., такие цехи были сооружены под Петербургом в Колпино и Кронштадте.

Первые стальные отливки были получены во второй половине ХIХ в. почти одновременно в различных странах Европы. В России их изготовили в 1866 г. из тигельной стали на Обуховском заводе. Однако качество отливок оказалось низким, так как литейные свойства стали значительно уступали свойствам чугуна. Благодаря работам русских ученых-металлургов А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого, которые объяснили явления ликвации и представили механизм возникновения усадочных и газовых раковин, а также разработали меры борьбы с ними, в полной мере раскрылись достоинства стальных отливок.[7] Поэтому фасонные отливки, полученные А.А. Износковым из мартеновской стали на Сормовском заводе в 1870 г., оказались такого высокого качества, что демонстрировались на выставке в Санкт-Петербурге.

По мере развития мануфактурного производства происходила дальнейшая дифференциация профессии литейщика. В XVIII в. уже появились мастера по литью в формы, пушечные мастера, мастера-каменщики для постройки домен и т. д., которые имели своих учеников и выполняли только свойственные их профессии работы. В XIX в. развитие крупного машинного производства, его специализация и кооперирование в литейных цехах привели к появлению новых профессий: земледелов -- рабочих по приготовлению формовочной смеси, шишкарей -- изготовителей стержней, плавильщиков, которые плавили и заливали формы металлом, формовщиков -- изготовителей литейных форм и т. д. Так по мере развития технологии и техники литья к концу XIX в. профессия формовщика выделилась в самостоятельную.[8]

Отличительной особенностью профессии формовщика от других профессий в литейных цехах является его очевидная ответственность за конечное качество отливки, которая ранее лежала на мастере-литейщике. Завершая труд многих рабочих-специалистов в литейном цехе, формовщик своим трудом несет прямую ответственность за качество конечного продукта, т. е. отливки, и выступает одновременно контролером качества труда рабочих других специальностей.

После выхода научных трудов основоположника металлографии Д.К. Чернова, создавшего науку о превращениях в сплавах, об их кристаллизации, структуре и свойствах, начали применять термическую обработку, которая улучшила качество стального литья.[9] Теория металлургических процессов была введена в высшей школе А.А. Байковым в 1908 г. в Петербурском Политехническом институте.

Этап нового бурного развития литейного производства наступил только после победы Великой Октябрьской Социалистической революции. Партия большевиков поставила перед советским народом задачу в короткие сроки вывести страну из разрухи, экономической отсталости и превратить ее в передовую индустриальную державу. В соответствии с планом индустриализации страны в годы первых пятилеток были построены новые, оснащенные передовой для того времени техникой литейные цехи в составе таких гигантов социалистической индустрии, как Харьковский, Сталинградский и Челябинский тракторные заводы, Московский и Горьковский автомобильные заводы, заводы тяжелого машиностроения в г. Свердловске (Уралмаш), в г. Электростали (ЭЗСМ) и многие другие. Для обеспечения отливками быстро развивающегося станкостроения были созданы специализированные заводы по выпуску литья: «Центролит» в Ленинграде, «Станколит» в Москве и др.

Так же возродилось крупное статуарное и художественное литье. Приумножая славные традиции монументального литья, советские скульпторы и литейщики создали уникальные памятники, отражающие борьбу нашего народа в период революции и строительства социализма, мужество, стойкость и героизм советских людей во время Великой Отечественной войны. Большое место в статуарном литье занимают скульптуры и памятники вождям революции и героям гражданской войны, советским военачальникам и деятелям литературы и искусства, ученым и передовым представителям рабочего класса и крестьянства.[10]

За годы советской власти литейное дело превратилось в основную базу социалистической индустрии. Уже в 1936 г. по объему производства отливок СССР вышел на первое место в Европе, а в годы IX пятилетки на первое место в мире. Если в 1913 г. царская Россия выпускала отливок из черных металлов около 685 тыс. т, то уже в 1937 г. заводы нашей страны производили около 5 млн. т литья, а в 1981 г. -- более 25 млн. т, что составило 1/3 мирового производства.

Одновременно проводятся научно-исследовательские работы, создаются теории рабочих процессов и методов расчета литейного оборудования.

За годы Советской власти литейное производство росло не только количественно, но и качественно. Наряду с развитием и совершенствованием литья в разовые формы из песчано-глинистых смесей, появились и получили широкое распространение новые способы литья, такие как литье под давлением, кокильное литье, литье в оболочковые формы, центробежное литье, значительно видоизменилась технология литья по выплавляемым моделям. Сегодня известно более 100 различных способов литья. Столь значительные количественные и качественные сдвиги литейного производства стали возможными и благодаря тому, что оно развивалось на основе передовой теории о литейных процессах и массовой подготовки высококвалифицированных инженерно-технических и рабочих кадров. В нашей стране много институтов, которые занимаются вопросами развития теории и технологии литейных процессов. Большой вклад в развитие теории и практики литейного производства внесли такие ученые, как П.Н. и Н.П. Аксеновы, Н.Н. Рубцов, Д.П. Иванов, П.П. Берг, В.А. Рыжиков, Б.Б. Гуляев, Г.Ф. Баландин, Л.И. Фанталов и многие другие.

Формируется научная школа Московского высшего технического училища, основанная и возглавляемая проф. Н.П. Аксеновым.

В машинах и промышленном оборудовании около 50% всех деталей (по массе) изготавливают литьем по различным технологиям. Доля литых деталей в кузнечно-прессовом оборудовании составляет 70--95%, в металлорежущих станках -- 80%, в текстильных машинах -- 72%, в автомобилях и тракторах --55%. На долю отливок приходится 20--25% себестоимости и трудоемкости изготовления машин. Производство отливок -- энергетически самый выгодный технологический процесс. Так, суммарная энергоемкость для изготовления 1 т. литых деталей в единицах условного топлива составляет для отливок 400--500 кг, для изделий из проката 1000кг, для деталей из стальных поковок 1800 кг. Коэффициент использования металла, характеризующий отношение массы готового изделия к исходной массе заготовки, при получении деталей из отливок равен 0,6--0,7, при сварке из проката -- 0,55, из поковок и слитков -- 0,3. Более 30% отливок (по массе) в различных отраслях народного хозяйства используют без механической обработки.

Литье является самым универсальным способом получения заготовок для деталей машин. Можно получать отливки массой от нескольких граммов до 600 тонн и более (детали металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования). Методом литья получают отливки как из традиционных черных сплавов (чугуна и стали) и цветных сплавов на основе алюминия, меди, цинка, олова, так и из тугоплавких металлов и сплавов на основе молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, имеющих температуру плавления 2500--3410°С.

В настоящее время в нашей стране действуют более 5000 литейных цехов и заводов, на которых трудятся более 600 тыс. рабочих. Многие литейные цехи представляют собой комплексно-механизированные и автоматизированные предприятия с современной технологией и новейшим оборудованием для производства отливок. Это относится, например, к литейным цехам Волжского и Камского автомобильных заводов, Рязанского, Каширского и многих других литейных заводов.[11]

Таким образом, в истории развития литейной технологии можно выделить три периода:

Первый (от появления первых отливок до XIV века н. э.) -- это период примитивной технологии. На этом этапе имело место исключительно индивидуальное производство в основном предметов быта, культа, оружия, украшений.

Второй (от XIV века н. э. до середины XIX века) -- период ремесленной технологии. Литье превратилось в самостоятельное ремесло. Ручная формовка достигла совершенства.

Третий (от середины XIX века до конца XX века) -- период промышленной технологии. Организовано механизированное массовое производство самых разнообразных отливок.

Такое деление условно, поскольку на протяжении каждого этапа искусство литья испытывало взлеты и падения. Еще в древности создавались уникальные литые изделия.

Развитие литейного производства, вплоть до наших дней проходило по двум направлениям:

? изыскание новых литейных сплавов и новых металлургических процессов;

? совершенствование технологии и механизации производства.

1.2 Анализ проблемы современного литейного производства и пути их решения

Проблемы литейного производства носят системный характер, являются следствием невнятной промышленной политики в области машиностроения, применения остаточного принципа финансирования литейного производства по отношению к основной продукции.

Научно - технический прогресс (НТП), как следствие инновационного развития, в целом состоит из двух составляющих:

- научных достижений, результатом которых являются новые знания, технологии, оборудование и материалы;

- производственно - технологических достижений - инноваций, результатом которых являются улучшенные характеристики производства новых товаров или услуг, созданных с использованием уже полученных и проверенных научных достижений, знаний, технологий, оборудования и материалов.

Результаты НТП определяют развитие и благосостояние общества в целом.

Получение научно-технических достижений не является инновационной деятельностью, хотя при этом возникает новое, без которого последующая инновационная деятельность невозможна. Инновационная деятельность ближе всего к понятиям внедрение, передача (трансфер) достижений науки и техники в производство [13].

Из анализа перспектив развития инновационных технологий следует, что, прежде всего, необходимо значительное увеличение объёма инвестиций в науку ( исследования и разработки, создание новых машин, оборудования и технологий, проектно - конструкторские работы, приобретение патентов или лицензий, программных продуктов, обучение и подготовка кадров). Именно этих ресурсов не хватает для проведения модернизации машиностроения и, в частности, литейного производства.

Доля России на мировом рынке наукоёмкой продукции - 0,3%, США-36%, Японии-30%, Германии-9,5%, Китая-6% [14].

Одной из основных причин утраты Россией позиций на мировом и внутренних рынках наукоёмкой продукции стали отсутствие концептуальной государственной политики в сфере интеллектуальной собственности и инновационной деятельности, обвальное снижение инвестиций в науку, фактическая ликвидация отраслевой науки, разрушение связей науки с производством.

Как известно, наша промышленность имеет производительность в разы меньшую, чем промышленность развитых стран. Попытки решить эту проблему только заменой оборудования зачастую не давали ощутимых результатов. Оказалось, что необходим целый комплекс технологических решений (процесс, цепочка) позволяющих наиболее эффективно реализовать приоритетные направления. Такой «критической технологией», которая способна внести наибольший вклад в обеспечение безопасности, ускорение экономического роста, повышение конкурентоспособности продукции является информационная технология «ИТ», которая интенсивно развивается в регионе. Реализуется она через компьютерное проектирование, электронный архив, в который складывается вся информация и откуда она попадает к технологам, к метрологам, а от них к объектам проектирования. При этом выявляется большое количество несуразностей в организации нашего производства и появляется возможность их устранить [15].

Компьютерное моделирование литейных процессов - заполнение формы металлом, затвердевание и охлаждение отливки, формирование внутренних напряжений и деформаций широко применяется в регионе. Большие перспективы применения информационных технологий в области ресурсосбережения, где Россия вообще позади развитых стран мира. В далёкой перспективе - сохранение в системе управления литейным оборудованием технологического режима для каждой отливки - гарантия качества.

Повсеместное применение компьютеров качественно повышает значимость творческого труда, связанного с внелогичным мышлением, основанном не на последовательных логических умозаключениях, а на озарениях, на мышлении не тезисами, а образами. Ведь компьютер предельно формализует логическое мышление и доводит его до совершенства, недоступного человеку [16].

Оптимизация и повышение эффективности производства позволяет получить значительную экономию, соизмеримую с фондом оплаты труда персонала предприятий. Всё это невозможно без применения новейших технологических разработок. Даже самые крупные инвестиции в энерго- и ресурсосбережение окупаются сторицей. Общим для любых промышленных предприятий (а для литейных цехов и заводов в особенности) потенциалом в сокращении расходов являются затраты на тепловую и электрическую энергию, расходуемые ресурсы (вода, топливо, материалы).

Оптимизация процессов позволяет сократить потребление энергии и ресурсов, уменьшить расходы на обслуживание, высвободить дополнительные площади, а также повысить надёжность и качество работы инженерных и технологических систем, сократить аварийность и простои на ремонт [17].

Внедрение стратегии энергоэффективности и энергосбережения за счёт развития ядерных технологий, альтернативных источников энергии, космических технологий, медицинских технологий, стратегических информационных технологий и др. может сократить расход наших ресурсов не менее чем в 2 раза - это одновременно и усиление конкурентоспособности страны и важнейшая экологическая задача [12].

Одна из главных причин ухудшения экологической обстановки в нашей стране заключается в том, что на единицу готовой продукции потребляется в несколько раз больше сырья, материалов, воды, чем в развитых странах. По степени ущерба, наносимого окружающей среде, литейно-металлургический комплекс занимает второе место среди отраслей промышленности после топливно-энергетического комплекса. Ухудшение качества окружающей среды ведёт к росту заболевания населения. По мнению медиков, более половины всех болезней вызывается вредным воздействием химических, физических и биологических факторов среды. Поэтому охрана окружающей среды является важным фактором модернизации литейного производства.

В настоящее время сформировалось два направления охраны окружающей среды:

- восстановление экологического равновесия, т.е. строительство природоохранных объектов, создание газо-водоочистных сооружений при модернизации основных производственных фондов;

- предупреждение нарушения экологического равновесия путём рационального природопользования.

При этом решающая роль отводится малоотходным и безотходным технологиям, обеспечивающим охрану природы на более высоком качествен ном уровне. Государственное управление решением проблемы заключается в реализации законодательства по охране природы, экономического механизма и госэкономполитики в области экологии и организационных мероприятиях [18]. «Устойчивое развитие - это гармоничное экономическое развитие, удовлетворяющее принципам социальной справедливости и экономической ответственности» (формулировка ООН)

Модернизация литейного производства должна быть направлена не только на решение экономических проблем, но и не в меньшей степени на создание комфортных условий для существования и деятельности человека.

По нашему мнению, будущее за связующими неорганического происхождения (НОС). Это объясняется гарантированным наличием сырьевых материалов в промышленном объёме, минимальным воздействием на окружающую среду в результате исключения отходов и возможности их повторного использования, разработки способов отверждения при изготовлении форм и стержней, улучшении условий труда на рабочих местах в связи с отсутствием выбросов в атмосферу, конденсатов и запахов, высокой термостабильностью [19]. В мире ведутся интенсивные исследования формирования начальной, поверхностной и остаточной прочности, улучшения качества поверхности отливок ( металлофосфатные смеси, жидкостекольные смеси, система «Cordis», неорганические связующие на основе сульфата магния и др.)

Особого внимания заслуживает жидкое стекло в качестве связующего. Ничего лучшего в этом качестве наша наука до сих пор не придумала. «Новое - это забытое старое». Возможности этой технологии далеко ещё не исчерпаны. Из лидеров 60-х - 80-х годов прошлого века по применению жидкостекольных смесей различных классов мы стали объектом химизации литейного производства, пришедшей с Запада. Исследования последних лет позволяют считать жидкостекольные смеси фактором модернизации. Использование новых методов отверждения ортосиликатов натрия газом, эфиром или кислотами делают этот процесс перспективным. Огромный опыт применения жидкостекольных смесей в нашей стране, научное обоснование механизма формирования прочности, возможности управления процессом при изменении модуля и содержания жидкого стекла, обработке его кислотами и сложными эфирами делают этот процесс чрезвычайно привлекательным (особенно для большинства литейных цехов небольшой мощности, которые в стране преобладают). Объёмы производства отливок и сейчас весьма значительны и могут возрасти в результате повышения спроса при подъёме машиностроения[20].

Критериям модернизации или, как теперь говорят, неоиндустриализации в полной мере соответствует вакуумно-плёночная формовка ( ВПФ). Эта технология уже перешла из рязряда спецвидов литья в основные способы производства отливок в разовые песчаные формы и по объёмам производства за рубежом сопоставима с другими способами формовки. ВПФ - технология бесшумная и экологически чистая, так как во время заливки и охлаждения формы постоянно находятся под вакуумным отсосом всех выделяемых газов из герметично закрытой плёнкой формы, что позволяет их полностью централизованно утилизировать Процессы отверждения форм «без связующих» обратимы, т.е. после отключения источника приложения усилия уплотнения формовочный материал приходит в первоначальное состояние [21].

Считается, что становление наноиндустрии будет способствовать решению таких проблем человечества как энергетическая, экологическая и продовольственная безопасность, качество жизни, образования и общественного управления.Уже сейчас нанотехнологии позволяют получать материалы с принципиально улучшенными свойствами, многократно повышать эффективность процессов, создавать оборудование для тонких и высоких технологий со значительно меньшими удельными издержками, чем у аналогов при производстве традиционными способами.[22].

С 70-х годов прошлого столетия литейщики начали заниматься применением в технологических процессах ультрадисперсных материалов, имея в виду известное физическое явление, что упрочняющие свойства возрастают с уменьшением диаметра материала, соответственно увеличивается удельная поверхность, реакционная способность и т.д. Такой подход применялся для повышения качества формовочных и стержневых смесей, огнеупорных покрытий, повышения свойств литейных сплавов.

Сегодня научные разработки направлены на получение наноразмерных материалов, методов их применения, способов ввода в расплав, изучения механизма их воздействия на качественные характеристики материалов или готовых отливок. Учитывая высокую стоимость получения наноразмерных материалов, их применение в литейном производстве целесообразно в качестве микродобавок к базовым материалам и сплавам для повышения их физико-механических, химических и эксплуатационных свойств. Эти направления разработок являются перспективными и экономически оправданными при решении проблемы модернизации литейного производства [23].

Основная проблема в наноиндустрии и других инновационных направлениях - отсутствие системы подготовки кадров. На Петербургском промышленном конгрессе (10-12 марта 2010 года) академик В.Я. Шевченко огласил «правило десяти»: из десяти студентов только один работает по специальности, из десяти специалистов только один защищает кандидатскую диссертацию, из десяти кандидатов наук только один становится доктором, профессором. При таких темпах проблема подготовки квалифицированных учёных и преподавателей затянется на сотни лет.

Между тем технологический разрыв между Россией и экономически высокоразвитыми странами возрастает и принимает угрожающие размеры, что грозит технологической безопасности России. Деградация кадрового потенциала может быть остановлена только возрождением национальной экономики, что вызовет рост потребности в квалифицированных кадрах.

Сложная ситуация в литейном производстве вынуждает предложить некоторые непопулярные меры: вернуться к справедливой и проверенной временем практике отработки на производстве выпускниками ВУЗов по полученой специальности в течение 2-3х лет, обучавшихся за счёт госбюджета; создать сеть двухгодичных образовательных центров и шестимесячных подготовительных курсов на литейных предприятиях (практика 40-х годов).

При наличии политической воли и грамотной промышленной политики, при концентрации всех усилий и средств на преодоление последствий экономического кризиса и подъёме машиностроения проблемы модернизации могут быть решены.

В посткризисный период главной национальной идеей должна стать неоиндустриализация, представляющая собой процесс крупномасштабной модернизации, основанной на безлюдных, безотходных и рециркуляционных технологиях автоматизированного производства - компьютеризованного и роботизированного [24].

Перечисленные факторы позволяют сформулировать основные направления стратегии дальнейшего развития литейного производства. Эти направления охватили практически весь комплекс проблем современного производства, а именно:

- состояние и направления развития мирового и отечественного литейного производства;

- современные технологии, материалы и оборудование;

- диагностика, сертификация и управление качеством отливок;

- компьютерные технологии в литейном производстве;

- экология и охрана труда;

- экономика и организация производства;

- подготовка кадров.

Как видно из вышеизложенного, одним из основных стратегических направлений развития литейного производства на современном этапе это развитие моделирования и компьютерных технологий.

Развитие моделирования и компьютерных технологий предполагает:

- моделирование формирования отливки в форме - система синтеза по всем элементам процесса;

- автоматизированное проектирование литейной технологии;

- проектирование литейной технологии и оснастки в CAD -системе с последующим её изготовлением на станках с ЧПУ;

- разработка системы быстрого прототипирования;

- компьютерное управление технологическим оборудованием [25].



2. Системы моделирования литейных процессов

Модель - это упрощенное представление реальности. Моделью является, например, чертеж системы. Основное свойство модели в том, что она - семантически замкнутая абстракция системы. Она строится для того, чтобы лучше понять разрабатываемую систему, визуализировать ее, определить структуру или поведение. Сложные системы моделировать просто необходимо, поскольку иначе мы не сможем их воспринять как единое целое.

Моделирование - метод исследования систем на основе переноса изучаемых свойств системы на объекты другой природы. Это один из основных методов исследования окружающей действительности. Инженерная методика изготовления моделей является устоявшейся и повсеместно принятой. Она позволяет решить несколько важных задач:

? визуализировать систему;

? определить структуру системы и ее поведение;

? документировать принимаемые решения.

Наконец, моделирование - это попытка решить проблему сложности. Существует четыре основных принципа моделирования [Буч, Рамбо, Джекобсон 2000].

Выбор модели оказывает определяющее влияние на подход к решению проблемы и на то, как будет выглядеть это решение. Каждая модель может быть воплощена с разной степенью абстракции. Лучшими моделями являются те, которые ближе к реальности. Следует использовать совокупность нескольких моделей.

Модель - это некоторый упрощенный заменитель реального объекта или системы.

Модели бывают информационные - описание объекта, математические - описание объекта в виде математических формул, физические - упрощенное подобие реального объекта, экономические - представление объекта в виде экономических расчетов. Все наши знания о реальном мире - это множество информационных моделей Математические и информационные модели в настоящее время почти совпадают в связи с совпадением инструментального и программного обеспечения для разработки модели. При составлении информационной модели нужно не только выбрать признаки объекта, которые в нее будут включены, но и решить, как будет организована информация в памяти компьютера.

2.1 Обзор методов моделирования технологических процессов

Современные промышленные предприятия и научно-производственные комплексы, научно-исследовательские и опытно-конструкторские центры функционируют в условиях жесткой конкуренции - массовое производство, снижение цен на транспортировку товаров, дешевая рабочая сила способствуют этому.

При формировании как стратегических, так и многих тактических решений руководитель вынужден учитывать многочисленные, нередко взаимно противоречивые соображения и опираться на сложные критерии эффективности путей достижения конечных целей. Быстро принимать решения помогают различные методы моделирования.

С быстрым развитием ЭВМ и соответствующего ПО повышается значимость имитационного моделирования. Если для классических математических методов исследования операций было необходимо некоторое время для составления модели и ее решения, то сейчас есть возможность анализировать ситуацию, выбирая диапазон изменения входных переменных для имитационной модели. Часто они имеют графическую оболочку, примеры можно найти на сайте [26], это ускоряет процесс усвоения информации и принятия решений.

Рассматриваемые методы моделирования представлены в табл. 2.1.



Таблица 2.1

Методы моделирования

Метод	Описание	Область применения	Достоинства метода	Недостатки метода
Математическое моделирование	Составляется математический «эквивалент» процесса или объекта, отражающий его основные свойства.	Любые процессы, поддающиеся математическому описанию.	Широкая область применения.	Зачастую достаточно сложно построить модель адекватно учитывающую все факторы.
Статистическое моделирование	Модель основывается на выявленных статистических закономерностях.	Процессы, по которым можно собрать массив статистических данных.	При наличии качественных данных метод точен и, при использовании специализированного ПО, прост в применении.	Большие требования к статистическим данным.
Экономико-математическое моделирование	Раздел включает в себя методы для решения экономических задач.	Экономические процессы.	Метод способен моделировать экономические процессы.
Имитационное моделирование	Изучаемая система заменяется моделью с достаточной точностью описывающей реальную систему, с ней проводятся эксперименты с целью получения информации.	Метод используется когда дорого или невозможно использовать реальную модель и/или аналитическую модель.	Создается максимально приближенная к реальности модель, можно управлять временем системы и другими ее характеристиками.	Сложность описания всех условий и требования вычислительной мощности.
Физическое моделирование	Экспериментальное моделированное, основанное на физическом подобии уменьшенной в размерах модели.	Применяется при невозможности применения аналитического метода или воспроизведения в реальном размере.	Область применения, недоступная другим методам.	Метод может дать надежные результаты лишь при соблюдении физического подобия модели.
Натурное моделирование	Моделью является материально или мысленно представляемый объект, в достаточной степени повторяющий свойства, существенные для моделирования.	Применяется для проведения ряда тестов над моделью. Примеры - различные этапы прототипирования на производстве.	Возможность протестировать объект моделирования в реальных условиях.	Затраты на создание модели могут быть высокими.

Математические модели - очень широкий класс знаковых моделей (основанных на формальных языках над конечными алфавитами), широко использующих те или иные математические методы.

Математическое моделирование - наиболее обширный раздел моделирования. Метод не требует больших затрат на проведение (например, как физическое или натурное моделирование), а с ростом производительности ЭВМ проведение расчетов перестало занимать много времени.

Подходы математического моделирования подробно рассмотрены в книгах Г. Вагнера [13,14,15] и Л.В. Кантаровича [17]. Краткий обзор методов представлен в табл. 2.2.

Информационные модели - класс знаковых моделей, описывающих информационные процессы (возникновение, передачу, преобразование и использование информации) в системах самой разнообразной природы.

Граница между математическими и информационными моделями может быть проведена весьма условно; вполне возможно считать информационные модели подклассом математических моделей.

К одному из видов математического моделирования можно причислить и компьютерное моделирование. При этом компьютер - незаменимое техническое средство.

Компьютер - вычислитель, он не понимает программу, а исполняет ее. Наиболее естественный способ указать компьютеру ход исполнения программы - записать ее в виде алгоритма (на алгоритмическом языке). Современное значение слова "алгоритм" во многом аналогично таким понятиям, как рецепт, процесс, метод, способ.

Алгоритм - точное и конечное описание того или иного общего метода, основанного на применении исполнимых элементарных тактов обработки.

Таблица 2.2

Методы математического моделирования

Метод	Описание	Область применения	Достоинства метода	Недостатки метода
Линейное программирование.	Составляется система линейных уравнений с необходимыми ограничениям. Типичные задачи - составления жидких смесей, распределения ресурсов.	Не сложные линейные детерминированные задачи (с заранее точно известными результатами той или иной стратегии).	Простота, возможность быстро получить решение без применения ЭВМ. При адекватной постановке задачи обеспечивается необходимая точность решения.	Узкий круг решаемых задач - лишь малая часть реальных процессов линейна, в других случаях возникает излишняя аппроксимация.
Нелинейное программирование.	Составляется система нелинейных уравнений с необходимыми ограничениям. Типичные задачи - управление производственным процессом, выручка от реализации продукции.	Задачи с заданными нелинейными соотношениями переменных.	Возможность задавать зависимости переменных - например влияние объема продаж на цену.	Сложность решения. Необходимость большого числа данных.
Динамическое программирование.	Как правило, составляется сетевая модель. Пример - модель распределения усилий.	Многоэтапные задачи. Результатом решения задачи является рекуррентное выражение, выражающие шаги, которые следует принимать на любом этапе.	Позволяют принимать правильное решение множество раз без вмешательства человека (на основе рекуррентного выражения) - то есть с помочью ЭВМ.	Узкий круг решаемых задач, сложность составления рекуррентного выражения.
Сетевые задачи.	Сетевые задачи - частный случай задач линейного программирования. Для описания модели используется граф. Пример - транспортная задача.	Сетевой метод удобен для графического описания оптимизационных задач и может применяться для сложных (тысячи переменных и сотни ограничений) задач.	Графический механизм удобен описания задач линейного программирования. Возможность учитывать при решении транспортной задачи сезонности, пропускной способности, переменной мощности поставщиков и т.п.	Большинство задач, решаемых данным методом являются вариациями транспортной задачи.
Вероятностные оптимизационные модели.	Метод, учитывающий вероятностную компоненту. Включает в себя вероятностные модели управления запасами и системы массового обслуживания.	Любые модели, для описания которых требуются случайные величины.	Вместо излишнего усложнения модели вводятся вероятности событий, что позволяет решать сложные задачи, не решаемые другими методами.	Сложность решения без ЭВМ.
Целочисленное программирование.	Значительное число оптимизационных задач имеют ограничение в целочисленном решении. Для их решения нужны особые алгоритмы. Пример - задача коммивояжера.	Круг задач, требующий целочисленного решения.	Метод позволяет решать комбинаторные задачи.	Все недостатки решаемого класса задач.
Имитационное моделирование.	Применяется на ЭВМ. Стали широко распространены с ростом мощностей ЭВМ. Учитывая скорость расчетов могут решать задачи практически любой сложности.	Класс задач, не решаемый другими методами.	Широкий круг решаемых задач.	Сложность описания всех условий и требования вычислительной мощности.

Алгоритм имеет пять важных свойств.

1. Конечность. Алгоритм всегда должен заканчиваться после выполнения конечного числа шагов.

2. Определенность. Каждый шаг алгоритма должен быть точно определен.

3. Наличие входных данных. Алгоритм имеет некоторое число входных данных, задающихся до начала его работы или определяющихся динамически во время его выполнения.

4. Наличие выходных данных. Алгоритм имеет одно или несколько выходных данных, имеющих определенную связь с входными данными.

5. Эффективность. Алгоритм обычно считается эффективном, если его операторы достаточно просты для того, чтобы их можно было точно выполнить в течение конечного промежутка времени с помощью карандаша и бумаги.

С алгоритмами связаны приведенные ниже области исследований.

Анализ алгоритмов, состоит в том, чтобы для заданного алгоритма определить рабочие характеристики. Например, часто желательно, чтобы алгоритм был быстрым.

В теории алгоритмов рассматриваются вопросы существования или не существования эффективных алгоритмов вычисления определенных величин.

Построение алгоритмов, где рассматриваются стандартные приемы и методы, используемые при написании алгоритмов.

Процесс компьютерного математического моделирования включает численный эксперимент с моделью (рис. 2.1).

Первый этап - определение целей моделирования. Основные из них таковы:

1) модель нужна для того, чтобы понять как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание);

2) модель нужна для того, чтобы научиться управлять объектом (или процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);

3) модель нужна для того, чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).

Выработка концепции управления объектом - другая возможная цель моделирования. Какой режим ведения процесса наибольшим образом обеспечит производительность? Как можно получить максимальный выход продукции с единицы объема аппарата? Эти задачи решает управление.

Наконец, прогнозирование последствий тех или иных воздействий на объект может быть как относительно простым делом в несложных физических системах, так и чрезвычайно сложным - на грани выполнимости - в системах биолого-экономических, социальных.

Рисунок 2.1 Общая схема процесса компьютерного математического моделирования

2.2 Программы для моделирования литейных процессов

Сегодня в мире насчитывается большое количество программ для моделирования литейных процессов. К сожалению, российским специалистам известны лишь такие программы, как Magmasoft, Procast, SolidCast, а также две отечественные разработки - «Полигон» и LVMFlow.

В мировой практике основное распространение получили следующие программы представленные в таблице 2.3.

Основные проблемы при выборе определенной моделирующей программы состоят в отсутствии достоверной информации о возможностях самой программы, принципах работы с ней, а также в отсутствии молодых специалистов на предприятиях России. Существенным фактором для отечественных предприятий при выборе литейной программы остается стоимость, однако, при успешном использовании любой программы, срок ее окупаемости может составлять от 1 5 мин до 1 месяца.

Как указывалось выше, в России литейщики знают о таких программах, как Magmasoft, ProCast, многие предприятия проводили опытную эксплуатацию программы Полигон, WinCast, SolidCast. Программы для моделирования литейных процессов, используемые сегодня в России, в основном различаются степенью полноты факторов, учитываемых при моделировании, и, соответственно, стоимостью. Второе существенное различие связано с методами получения и решения разностных уравнений: уравнения тепломассопереноса могут быть записаны в дифференциальном или интегральном виде.

Отметим основные моменты при выборе литейной программы, на которые стоит обратить внимание.

Каждое предприятие при выборе литейной программы должно четко осознавать, что оно хочет получить в результате ее использования.



Таблица 2.3

Программы моделирования и страны создатели

Можно выделить две группы литейных предприятий, выпускающих обычное литье и ответственное литье - например, детали для авиакосмической промышленности. Такое разделение обусловлено решаемыми задачами. В первом случае, основная проблема получения годных отливок - неправильная технология, разрабатываемая технологами-литейщиками, основанная на методе «проб и ошибок». В этом случае технологу требуется лишь проверить свой вариант технологии: определить места образования усадочных дефектов, выявить причины их образования и т.д. Такими возможностями обладают все литейные программы. При этом от литейной программы требуется большая производительность, так как решить поставленную задачу необходимо за 1-2 рабочих дня. В случае изготовления отливок ответственного назначения дефекты в виде грубых усадочных дефектов проявляются весьма редко. Чаще всего, задача стоит в устранении незначительной усадочной пористости, которая проявляется только на рентгеновских снимках. С этой задачей могут справить лишь некоторые программы. В этом случае технолог может позволить уделить моделированию не одну неделю, чтобы получить качественную отливку. В связи с этим, кратко остановимся на принципиальном отличии всех литейных программ - математическом методе для решения разностных уравнений.

Метод конечных разностей, используемый в таких программах, как Magmasoft, SolidCast, CastCAE, JSCAST, AnyCasting и других, позволяет в кратчайшие сроки получить распределение усадочных дефектов в проектируемой отливке и вовремя исправить технологию. Однако для устранения усадочной пористости в отливках ответственного назначения такие программы не подходят, так как применяемый математический метод плохо работает в случае тонкостенных отливок, когда толщина стенок становится сравнимой с шагом сетки. Связано это с тем, что разбиение исходной геометрической модели происходит путем наложения прямоугольной сетки с постоянным шагом, что приводит к резкому увеличению числа расчетных ячеек в случае получения тонкостенных отливок больших габаритных размеров. Однако современные ЭВМ легко справляются даже с очень «мелким разбиением» и позволяют успешно использовать подобные программы.

Метод конечных элементов, используемый в таких программах, как Полигон, ProCast, WinCast и т.д., позволяет максимально учесть геометрию отливки и выявить даже незначительные дефекты. Однако сложность применения МКЭ заключается в подготовке исходных данных для проведения компьютерного моделирования, которая может занять несколько дней и даже недель на 1 расчет. Связно это с разбиением исходной геометрической модели отливки на конечные элементы (чаще всего - тетраэдры). Встроенные генераторы сеточной модели в самих программах дают большие погрешности. Проблема решается путем использования внешнего генератора сетки КЭ, что приводит к удорожанию приобретаемого программного обеспечения, увеличению времени работы, а также требует от персонала высокой квалификации. По этой причине, массовое распространение литейные программы, использующие МКЭ, в России не получили.

Метод контрольных объемов (Flow-3D, LVMFlow) сочетает в себе простоту и факторизацию МКР и хорошую аппроксимацию границ между различными материалами и различными фазами. Это позволяет проводить моделирование максимально быстро, не теряя при этом точности расчетов. LVMFlow - единственная полноценная литейная программа, которая использует данный метод. Flow-3D также использует МКО и является лидером для расчета гидродинамических задач, однако, не является изначально литейной, поэтому не так часто используется для решения литейных задач.

...