Компьютерное моделирование в заготовительном производстве

Размещено на http://allbest.ru

Компьютерное моделирование в заготовительном производстве

Введение

компьютерный моделирование слиток

Современное время диктует новый ритм жизни, видоизменяя все сферы человеческой деятельности. Сегодня невозможно представить себе практически ни один производственный процесс или процесс научных исследований без применения компьютерного моделирования. Как и любое другое моделирование, компьютерное моделирование направлено на создание прототипов различного рода объектов, процессов или систем, в частности сложных систем, зависящих от совокупности взаимосвязанных и случайных факторов. Компьютерное моделирование позволяет значительно снизить затраты на проведение экспериментов, сократить сроки создания и анализа моделей, а также получить необходимые результаты в удобной форме.

Появление компьютерного моделирования неразрывно связано с появлением первых компьютеров, призванных решать различного рода математические задачи, на которых и основываются принципы компьютерного моделирования.

В настоящее время на территории постсоветского пространства, в том числе и в России, широко распространены бытовые компьютеры зарубежных производителей.

Важной особенностью современного моделирование является использование различного рода прикладных пакетов, направленных на моделирование определённых явлений. Такие программные продукты в какой то мере сами по себе уже являются результатами компьютерного моделирования и служат для оптимизации и визуализации процессов моделирования конкретных объектов, систем и процессов.

Существуют различные среды компьютерного моделирования, характерные для моделирования и анализа специфических задач конкретных областей науки и техники.

Сейчас наряду с внедрением и использованием программных пакетов ведущих мировых производителей в России существует и успешно развивается ряд компаний, деятельность которых направлена на создание и внедрение собственных программных продуктов.

Компьютерное моделирование при решении инженерно-технических задач, в основном, направлено на автоматизацию создания имитационных прототипов технических систем, автоматизацию создания конструкторской и технологической документации, а также на автоматизацию выполнения прочностных расчётов, моделирования кинематических и динамических процессов машин и механизмов.

Для гарантированного обеспечения качества заготовки и выбора оптимальных технологических параметров выполнены расчеты всех этапов производства заготовки - от выплавки слитка до термической обработки с применением современных программ компьютерного моделирования.

1.Компьютерное моделирование в заготовительном производстве

Организация производства и разработка технологии изготовления уникальной крупногабаритной обечайки является сложной технической задачей. Она решалась комплексно с предварительным компьютерным моделированием основных этапов производства заготовки. До недавнего времени компьютерное моделирование технологических процессов предполагало решение непростых краевых задач методами математической физики с использованием сложных вычислительных алгоритмов. Сегодня появились мощные специализированные программные комплексы и этот процесс стал более доступным.

В Научно-исследовательском центре (НИЦ) ООО «ТК «ОМЗ-Ижора» моделированию технологических процессов для решения конкретных производственных задач уделяется большое внимание. Имеющееся лицензионное программное обеспечение - система компьютерного моделирования литейных процессов «ПолигонСофт» и программный комплекс Deform - позволяет выполнять инженерные расчёты для решения технологических задач на протяжении всего производственного цикла, включая выплавку и кристаллизацию металла, обработку металла давлением и термическую обработку заготовок любых размеров и габаритов.

В рамках подготовки к производству заготовки удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ были выполнены расчеты кристаллизации кузнечного слитка, расчеты нагревов слитка массой 420,0 т, и промежуточных заготовок по выносам с учетом реального теплового состояния в процессе непрерывной ковки, проверка работоспособности и оптимизация конструкции раскатного бойка.

Качество металла слитка формируется в основном в процессе его кристаллизации, поэтому его компьютерное моделирование является основополагающим при разработке технологического процесса производства заготовок из новых и сверхкрупных слитков.

При компьютерном моделировании кристаллизации слитка были определены:

- длительность кристаллизации тела и прибыли слитка;

- расположение и геометрические параметры усадочной раковины и усадочной пористости (>1 %);

- длительность снятия перегрева и параметры двухфазной зоны в теле слитка при снятии перегрева в теле слитка (как возможной области образования физической и химической неоднородности слитка);

- длительность выдержки слитка в изложнице после снятия прибыльной надставки для остывания литых цапф до температуры 400 С (условие транспортирования), температуры поверхности слитков после выемки из изложницы.

Эти данные в дальнейшем могут быть использованы для оптимизации процессов разливки и кристаллизации, конструкции литейной посуды. В расчетной модели отливка слитка производилась в существующую кузнечную изложницу для слитка массой 420,0 т. На основании изучения зарубежного опыта производства сверхкрупных слитков для формирования прибыльной части слитка предложена конструкция новой цилиндрической прибыльной надставки с литыми транспортировочными цапфами. В результате расчетов кристаллизации сверхкрупного слитка установлено следующее (рис. 1):

1. Количество утеплительной смеси принятое в расчете является достаточным при утеплении зеркала металла в прибыли слитка массой 420,0 т для получения плотного тела и открытой усадочной раковины в прибыли глубиной 400 мм.

2. На момент снятия перегрева (Т=Тликв) в теле слитка остается конусообразная двухфазная зона, глубина которой составляет 18 % от высоты тела слитка. В реальном слитке эта зона может иметь повышенную ликвацию примесей и повышенное содержание неметаллических включений.

3. Длительность кристаллизации тела слитка составляет 48 часов. Длительность кристаллизации всего слитка составляет 61,5 часа, включая снятие прибыльной надставки через 48 часов.

4. Длительность остывания прибыльных цапф до температуры 400 оС (условие транспортировки) составляет 30 часов после снятия прибыльной надставки. Соответственно, выемка слитка из изложницы возможна через 78 часов после его отливки.

5. При выемке из изложницы слиток имеет следующую температуру поверхности тела: верх - 514, середина - 552, низ - 343 оС.

Рисунок 1 Температурные поля и внутренняя пористость сверхкрупного слитка на момент окончания кристаллизации тела слитка и на момент остывания цапф до температуры 400 С.

Предварительно для определения оптимальных выдержек при нагреве на каждый вынос в процессе непрерывной ковки согласно заданной технологии ковки заготовки удлиненной ОАЗ КР на АКК-12000 специалистами НИЦ был проведен расчет режима нагрева слитка массой 420,0 т и промежуточных заготовок по выносам с применением компьютерного моделирования. По результатам выполненного компьютерного моделирования разработаны технологические рекомендации на нагрев горячего слитка массой 420,0 т и заготовок в процессе непрерывной ковки, включая продолжительность нагрева на каждый вынос с учетом геометрических размеров и температурного состояния промежуточных заготовок, длительность каждого выноса.

Раскатка крупногабаритных обечаек предъявляет особые требования к конструкции кузнечного раскатного бойка, т.к. увеличение его длины приводит к уменьшению жесткости и увеличению прогибов на концах, а простое увеличение толщины бойка неосуществимо из-за малой величины просвета между траверсой и обечайкой. Решение этой проблемы было найдено за счет создания ребер жесткости, расположенных вне зоны деформирующей части бойка. Для этого был выполнен расчет деформации бойка в процессе ковки путем моделирования в программной среде «Deform» процесса раскатки усилием, соответствующим максимальному усилию пресса. Геометрическая модель раскатного бойка представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Модель раскатного бойка для расчета напряжено-деформированного состояния при раскатке.

Такой боек для пресса 120МН АКК-12000 ООО «ОМЗ-Спецсталь» был изготовлен и успешно применен при раскатке удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ.

Для подготовки к производству уникальной заготовки удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ из слитка массой 420,0 т в ООО «ОМЗ-Спецсталь» были выполнены следующие мероприятия:

- подготовлена литейная посуда для отливки слитка массой 420,0 т;

- для накопления металла к разливке подготовлено использование 4-х позиций для дугового нагрева при внепечной обработке;

- спроектирован и изготовлен специальный термос для перевозки автотранспортом сверхкрупного слитка;

- изготовлена специальная оснастка для выполнения ковки заготовки - раскатной боек и усиленный дорн;

- в кузнечно-прессовом цехе проведено усиление подины нагревательной печи для нагрева слитка массой 420,0 т;

- проведена комплексная модернизация термической печи для выполнения основной термической обработки заготовок крупногабаритных обечаек высотой до 6 м.

Рисунок 3 Ковка заготовки удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ новым раскатным бойком на АКК - 12000.

Заключение

В заключении хотелось бы сказать, что в современном гибком, групповом многономенклатурном производстве идет поиск технологических решений, направленных на повышение эффективности процессов получения заготовок. В настоящее время созданы инновационные аддитивные технологии, которые успешно решают проблемы многономенклатурного заготовительного производства. Эти технологии реализуются на основе компьютерного моделирования, а их отработка проходит в несколько этапов.

Первый этап - Создание 3D модели объекта (заготовки). Такую модель специалист должен построить в CAD системе или использовать современный подход и применить систему 3D сканирования (при наличии прототипа), которая позволяет решить задачу обратного инжиниринга (реинжиниринга) - цифровое описание изделий. В результате на выходе должна быть получена объемная модель изделия в специализированной программной среде NX.

Второй этап - В зависимости от поставленной задачи, необходимо выбрать CAE-программный продукт, в котором произвести все необходимые расчеты предлагаемой методики, смоделированная 3D модель завихрителя переносится в CAE-систему ProCast, которая позволяет проанализировать и полностью смоделировать существующий технологический процесс заливки завихрителя, рассчитать коэффициент усадки, на который вносится поправка при реальном литье, определить эффективность стояка, прибылей и питателей, выявить пустоты, проанализировать скорость остывания заливки и прочее.

Данный шаг является очень важным этапом, так как определяет конечный результат всего процесса заливки и от того насколько грамотно проанализирована виртуальная технология литья зависит процент выходной годной продукции.

Для реализации такой технологии необходимо иметь современное оборудование, отвечающее мировому уровню, которое позволяет производить отработку технологических процессов и изготовление высокотехнологической и конкурентоспособной продукции.

Практическая реализация аддитивной технологии получения детали «завихритель» условно может быть разделена на следующие этапы:

Третий этап - Изготовление мастер-модели завихрителя с помощью 3D печатной системы Оbjet Eden 350, использующей запатентованную технологию PolyJet фирмы Objet, работающую по принципу послойного нанесения фотополимерных материалов на платформу с ультратонким слоем толщиной 16 мкм.

Четвертый этап - Создание силиконовых эластичных пресс-форм по получаемой мастер-модели и последующее вакуумное литье в них полиуретановых смол, литейного воска и других полимерных композиций. Изготовление силиконовых форм, и восковых моделей осуществляется на установке для вакуумного литья полимеров в эластичные формы (МТТ C4/05).

Таким образом, компьютерное моделирование в заготовительном производствах - это уникальное научное мероприятие, нацеленное на объединение студентов вузов, аспирантов и молодых специалистов и преподавателей, занимающихся компьютерным моделированием технологий заготовительного (литейного и обработки материалов давлением) производств.

Библиография

1. Булавин Л.А. Компьютерное моделирование / Л.А. Булавин, Н.В. Выгорницкий, Н.И. Лебовка. - Долгопрудн: Интеллект, 2011. - 352 c.

2. Королев А.Л. Компьютерное моделирование / А.Л. Королев. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2013. - 230 c.

3. Овчинникова И.Г. Компьютерное моделирование вербальной коммуникации / И.Г. Овчинникова. - М.: Флинта, Наука, 2011. - 136 c.

4. Орлова И.В. Компьютерное моделирование / И.В. Орлова. - М.: Вузовский учебник, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 389 c.

5. Сирота А.А. Анализ и компьютерное моделирование информационных процессов и систем / Э.К. Алгазинов, А.А. Сирота - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2011. - 416 c.

6. Тарасевич Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование / Ю.Ю. Тарасевич. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 152 c.

7. Торшина И.П. Компьютерное моделирование / И.П. Торшина. - М.: Унив. книга, 2011. - 248 c.

8. Юрчук С.Ю. Компьютерное моделирование нанотехнологий, наноматериалов и наноструктур / С.Ю. Юрчук. - М.: МИСиС, 2013. - 47 c.

Размещено на Allbest.ru