Главная » Статьи, тех. документация » ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ: ВЗГЛЯД ИЗНУТРИ

ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ: ВЗГЛЯД ИЗНУТРИ

Введение

В мировой практике для изготовления корпусов задвижек и угловых штуцеров высокого давления, при меняемых в фонтанной арматуре нефтегазового оборудования, используют заготовки, полученные из стальных поковок и штамповок, или литые заготовки, выполненные обычным способом литья, так называемым литьем «в землю». Разработчики и изготовители корпусных заготовок традиционно отдают предпочтение кованным заготовкам. Литые заготовки используются реже, поскольку литые материалы обладают более низким комплексом механических характеристик и имеют значительно больше дефектов в виде различных примесей и включений. По плотности структуры литье также уступает кованному материалу, что особенно характерно для изделий с массивными стенками. Поэтому использование литых корпусных деталей в запорно-регулирующих устройствах (ЗРУ), как правило, ограничено невысокими давлениями (до 21 МПа). На Воронежском механическом заводе (ВМЗ) решили изменить такое положение дел. Чтобы получить литые крупногабаритные заготовки для запорно-регулирующих устройств высокого давления, на ВМЗ впервые в мировой практике применили метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Последовательное и направленное затвердевание отливок в нагретой оболочковой форме ЛВМ создает условия, благоприятные для фильтрации жидкого расплава из прибыли в двухфазную область отливки и получения плотного металла. Обычно методом ЛВМ изготавливают тонкостенные отливки сложной конфигурации повышенной плотности, масса которых не превышает нескольких килограммов, а толщина стенок составляет от 5 до 10 мм. Освоение производства массивных отливок ЗРУ потребовало новых технологических решений, позволяющих расширить возможности традиционного процесса ЛВМ. При заливке оболочковых форм, заформованных в опорный наполнитель и нагретых до высокой темпера туры, резко замедляется отвод тепла от затвердевающих стальных отливок. Возрастание толщины и массы отливок при изготовлении литых корпусов ведет к увеличению продолжительности затвердевания отливки и, как следствие, к появлению дефектов усадочного характера. Для изготовления ЗРУ высокого давления (до 105 МПа) требовались высококачественные корпусные за готовки размером до 700 мм и более, массой до 500 кг и с толщиной стенок и фланцев до 60 мм и 110 мм со ответственно. Постановка задачи Одной из основных проблем, с которыми столкнулись специалисты Воронежского механического завода, был вопрос обеспечения питания отливки металлом, поскольку сложность изготовления керамической оболочки и длительность технологического процесса затрудняли поиск оптимальных условий кристаллизации. Чтобы решить эту проблему, для анализа процессов кристаллизации отливки типа «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогичными системами, представленными на мировом рынке. Работа LVMFlow основана на методе конечных разностей (МКР), позволяющем анализировать заполнение формы расплавом с учетом предварительного прогрева формы. При этом необходимость прорисовки керамической оболочки во внешней конструкторской программе отпадает, поскольку система позволяет создать оболочковую форму в течение нескольких секунд. Конструкция детали может быть представлена в виде двух взаимопроникающих под углом 90о цилиндрических тел с протяженными тонкими стенками и массивными фланцами. Ее особенностью является выраженная разнотолщинность (соотношение толщин стенок и фланцев составляет 30:100 мм) и наличие термических центров в местах переходов от тонких элементов к толстым. Исходя из известных закономерностей формирования отливок, можно утверждать, что литье такой конструкции приведет к появлению дефектов усадочной природы. Чтобы избежать этого и обеспечить герметичность, необходимо добиться по следовательного развития кристаллизации отливки с соблюдением принципа направленного затвердевания. Безусловно, достижение искомого результата во многом зависит от расположения отливки при заливке, поэтому были рассмотрены два основных варианта такого расположения: вертикальное (рис. 1а) и горизонтальное (рис. 1б).

Рис. 1 Расположение отливки

В первом случае керамическую оболочку размещали таким образом, чтобы проходной канал отливки формировался в горизонтальном положении, а корпус шиберного канала – в вертикальном. На каждый массивный элемент в отливке (три фланца) устанавливали индивидуальные при были. Наиболее протяженные стенки во время заливки ориентировали в керамической оболочке вертикально. При таком расположении питание стенок в процессе затвердевания происходит последовательно через массивные фланцы по направлению к прибылям. На центральном и двух боковых фланцах устанавливали местные прибыли (одну кольцевую и две прямоугольные), сообщающиеся между собой через литниковые ходы, что позволяло на завершающем этапе заливки подводить горячий металл в боковые прибыли. Расплав поступал в полость оболочки через металлоприемник и четыре распределительных канала. Конструкция ЛПС приведена на рис. 2. В зоне массивного «глухого кармана», расположенного в нижней части отливки, для усиления направленности затвердевания металла был применен холодильник. Керамическую оболочку формовали в опоку шамотным наполнителем, а заливку расплава осуществляли в нагретые до 750о С формы. Температура расплава составляла порядка 1590о С. Качество полученных отливок контролировалось с помощью рентгенографического просвечивания; а герметичность корпусов – посредством гидростатических испытаний.

Рис. 2. Схема литниково-питающей системы 1 – расплав; 2 – керамическая воронка; 3 – выпор; 4 – металлоприемник; 5 – распределительный канал; 6 – прибыль прямоугольного сечения; 7 – литниковый канал; 8 – кольцевая прибыль; 9 – отливка; 10 – холодильник

Рис. 3. Исходная геометрическая модель

Анализ полученных данных пока зал, что характерный дефект корпусных отливок при таких условиях формирования отливки – рыхлота и пористость. В наибольшей степени это проявляется в стенках горизонтально расположенного проходного канала. При этом наиболее сильно пораженными оказались места пере ходов от тонкостенных элементов канала к фланцам и массивная часть глухого канала. Несколько менее рыхлота присуща вертикально рас положенным стенкам нижнего яруса корпуса и вертикально ориентированным боковым фланцам.

Поскольку полученное распределение дефектов не отвечало требованиям герметичности отливок, был применен второй способ – горизонтальное расположение.

Формирование отливки в керамической оболочке является очень сложным процессом, поэтому учесть все факторы, влияющие на процесс кристаллизации, практически невоз можно. Экспериментально отраба тывать все варианты ЛПС не пред ставляется возможным из за сложности и длительности процесса получения отливки. Разработка ва рианта литниково питающей систе мы до получения опытной отливки занимает несколько недель, поэтому для анализа процесса затвердевания отливки «Корпус» была использована система автоматизированного моде лирования литейных процессов LVMFlow.

Горизонтальное расположение от ливки предусматривало наличие пяти прибылей, одна из которых была ус тановлена в центре отливки, три – на фланцах и еще одна – на конусной части отливки (в районе седловины). Как и при вертикальном расположе нии отливки, все прибыли были со единены между собой в единое целое, что на завершающем этапе заливки позволяло обеспечить подвод горяче го металла в прибыли.

По исходным чертежам отливки специалисты Consistent Software Во ронеж совместно с сотрудниками от дела главного металлурга Воронеж ского механического завода по строили трехмерную модель отливки «Корпус» с ЛПС (рис. 3).

При построении исходной геометрической модели отливки (ГМ) бы ли использованы внешние конструкторские программы Autodesk Inven tor Series и Unigraphics.

Компьютерное моделирование в САМ ЛП LVMFlow

Для моделирования была исполь зована отливка корпуса задвижки с диаметром проходного горизонталь ного канала 3 дюйма, изготов ленная из низколегированной стали 35ХМЛ, применяемой на ВМЗ для производства запорной арматуры. Температура заливки составляла 1590±10о С, температура заформо ванной керамической оболочки пе ред заливкой изменялась в пределах 500 850о С. Масса залитого блока со ставляла порядка 520 кг, время залив ки – от 60 до 120 сек.

Процесс создания керамической оболочки в программе LVMFlow упрощен до минимума: технологу требуется лишь указать (с учетом количества слоев) толщину будущей керамической оболочки (рис. 4). Процесс заполнения формы расплавом и последующая кристаллизация отливки «Корпус» рассчитывались в течение 53 часов (процессор Pentium IV 2,8 Ггц, оперативная па мять – 1 Гбайт). Процесс компьютерного моделирования (без учета времени на предварительный прогревформы), в зависимости от требуемой точности результатов, занимает от 30 до 60 мин. В итоге было рассчитано распределение температурно-фазовых полей процесса заполнения формы расплавом, а также полей скоростей, давления; выявлено расположение дефектов усадочой природы (усадочная пористость, микропористость).

Процесс заполнения формы расплавом представлен на рис. 5. В зависимости от начальной температуры формы, при заливке происходит рез кое падение температуры расплава. Большая высота формы и особенности литья по выплавляемым моделям накладывают ограничения на конфигурацию ЛПС.

Рис. 4. Модель керамической оболочки

Рис. 5. Количество жидкой фазы (время от начала заливки)

Рис. 6. Температурно-фазовые поля отливки

Рис. 7. Дефекты усадочного характера

Распределение температуры в отливке и форме для некоторых этапов, начиная от момента начала заливки, приведено на рис. 6.

Итоговое распределение дефектов представлено на рис. 7. Массивные прибыли позволили почти пол ностью удалить из тела отливки дефекты усадочного характера. Од нако анализ полученных данных по казал наличие дефектов типа «усадочная пористость» в зоне «глухого кармана» и нижней части централь ного фланца, что свидетельствует о недостаточности питания этих тепловых узлов жидким металлом.

Прогноз микропористости (рис. 8) показал наличие «опасных» участков в горизонтально расположенных стен ках отливки. Расчет микропористости ведется на основе критерия Нийяма и требует адаптации результатов в соот ветствии с особенностями технологии производства. В целом картина рас пределения мест пониженной плот ности металла соответствовала натур ным испытаниям.

Выводы

Компьютерное моделирование процесса кристаллизации отливки «Корпус» с применением САМ ЛП позволило:

выявить места появления и про цесс формирования дефектов;

отследить в реальном времени из менение температурно фазовых полей процесса кристаллизации;

получить распределение векторов скоростей, давлений;

сформировать рекомендации по оптимизации ЛПС;

получить данные по распределе нию потока жидкого металла и движению шлаковых частиц в от ливке.

Таким образом, была обеспечена возможность в кратчайшие сроки провести оптимизацию литниково-питающей системы без проведения доработки модельной оснастки, со здания керамической оболочки, заливки и механической обработки де тали, а продолжительность процесса отработки технологии получения годных отливок была сокращена с 30 до 3 5 дней, т.е. в 6 10 раз.

Рис. 8. Участки возможного появления микропористости

Использование программы LVMFlow позволяет технологу литейщику визуализировать процессы, происходящие при формировании отливки, оперативно внести изменения в технологию, оптимизировать литниково-питающую систему и обеспечить получение отливки с требуемой плотностью металла, работающей в условиях агрессивных сред и высоких давлений.

Владислав Турищев,

генеральный директор НПО «ПРОМОДЕЛЬ»

  • тел. (473) 258-33-26
  • тел./факс (473) 270-99-35
  • www.osnastka36.ru — изготовление модельной оснастки, формы для литья
  • www.lvmflow.ru — моделирование литейных процессов, разработка литейной технологии
  • http://www.proform.ru
Яндекс.Метрика