МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ОТЛИВКИ «КОРПУС» С СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В работе проводится поиск причин брака стальной корпусной крупногабаритной отливки, изготавливаемой методом литья по выплавляемым моделям посредствам СКМ LVM Flow

Для снижения цены готового изделия необходимо сокращать материальные издержки на разработку рабочего проекта и время введения этого проекта в производство. Инженеру-технологу в этом оказывают помощь новейшие CAD – системы, которые позволяют автоматизировать его рабочее место, промоделировать процессы заполнения металлом формы и её затвердевания, показывая возможные дефекты. Одна из наиболее используемых этими проектными организациями для моделирования литейных систем и процессов на сегодняшний день является программа СКМ LVM Flow.

LVM Flow -профессиональная CAM-система компьютерного 3D моделирования литейных процессов позволяющая автоматизировать рабочее место технолога-литейщика и снизить затраты времени и средств на подготовку новых изделий. Она предназначена для проведения анализа литейной технологии, и ее корректировки в кратчайшие сроки, что гарантирует в течение 1-2 двух рабочих дней подготовить технологию получения качественных отливок Объект исследования – отливка «Корпус клапана», предназначенная для изготовления оборудования и трубопроводов атомных электростанций, станций теплоснабжения, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок, работающих в агрессивных условиях. К ней предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости и герметичности. Масса отливки 160 кг. Габаритные размеры 296×302× 561. Материал изготовления – сталь 30ХМЛ ГОСТ 977 – 88. Плавка в вакуумной печи ИСВ – 0,6. Изготавливается на ОАО «КБХА».

Цель данной работы — поиск причин брака при изготовлении крупногабаритных стальных отливок методом ЛВМ посредствам СКМ ЛП LVMFlow. В настоящее время на ОАО «КБХА» г. Воронеж для разработки технологического процесса получения новых литых изделий применяется метод «Проб и ошибок», что приводит к браку, многократному исправлению модельной оснастки, лишним плавкам металла, и. как следствие, к длительному сроку освоения новых изделий и удорожанию конечной продукции. Несмотря на огромный опыт проектирования литниково- питающих систем (ЛПС) на ОАО «КБХА» освоение новых изделий занимает длительный период времени. Причина этого – чрезвычайная сложность процессов формирования отливки в случае метода ЛВМ и отсутствие универсального метода проектирования ЛПС. Для проведения расчетов в СКМ ЛП LVM Flow в соответствии с рассчитанными размерами ЛПС построены 3D модели различных конструкций отливок с ЛПС, конвертированные в необходимый формат LVM Flow. При построении 3D моделей использовалась программа 3D моделирования Solid Works 2008. Затем было проведено исследование процессов затвердевания посредством СКМ ЛП LVM Flow.

Исследование процессов затвердевания

На рис. 1 и 2 представлены 3D – модели отливки. Исходные данные для компьютерного моделирования задавались с учетом действующей технологии на ОАО «КБХА». На рис. 3 показаны массивные прибыли, расположенные на тепловых узлах отливки с подводом металла через боковую прибыль. Вариант 2 — массивные прибыли, расположенные на тепловых узлах отливки с подводом металла через центральную прибыль показан на рис. 4.

Рис. 1. 3D модель отливки «Корпус клапана», вид спереди

Рис. 2. 3D модель отливки «Корпус клапана», вид сзади

Рис. 3. Подвод металла через боковую прибыль

Рис. 4. Подвод металла через центральную прибыль

При базовом варианте изготовления имеются дефекты: рыхлота в Т — образном тепловом узле и незначительная рыхлота в нижней зоне фланцев патрубков, как видно на рис. 5. Для устранения этих дефектов проводилась сложная доработка, в результате которой четыре корпуса были забракованы.

Рис. 5. Места выявления дефектов

Моделирование базового варианта дало результат, аналогичный результату, полученному по существующему технологическому процессу, что подтверждает эффективность использования программы «LVMFlow». Для получения предварительных данных по расположения дефектов усадочного происхождения целесообразно проводить предварительное моделирование заданной отливки без учета заполнения формы металлом. Данная процедура позволяет получить необходимую информацию по распределению дефектов в отливке за 1-2 минуты. Дефекты, обнаруженные в тепловых узлах, располагаются под центральной и боковыми прибылями. Величина усадочной пористости достигает 8 %, что является критичной для данного вида изделия. Результаты моделирования вариантов 1 и 2 представлены на рис. 6.

Рис. 6а. Усадочные дефекты (Вариант 2)

Обнаружено, что в процессе затвердевания соединительные каналы, служащие для обеспечения оптимального заполнения формы металлом, затвердевают с большей скоростью и нарушаю принцип направленного затвердевания, как показано на рис. 7. При дальнейшем исследовании данные каналы из конструкции удалены.

Рис. 6б. Усадочные дефекты (Вариант 2)

Рис. 7. Влияние соединительных каналов на затвердевание

Итоги моделирования

В процессе моделирования обнаружилось, что подвод металла через центральную прибыль сильно разогревает керамическую оболочку в месте соединения проходных каналов и приводит к значительным дефектам. С другой стороны, заливка через боковую прибыль затруднена из-за конструкции вакуумной печи. Учитывая неудовлетворительные результаты по вариантам 1 и 2. предложен вариант 3 – заливка металла через литниковую чашу с подводом металла в верхнюю часть прибылей. Высота центральной прибыли уменьшена на 100 мм, что позволяет сэкономить 40 кг металла. Этот вариант показан на рис. 8.

Рис. 8. Вариант 3

Данный вариант конструкции ЛПС должен обеспечить подвод горячего металла в верхнюю часть прибыли к моменту окончания заливки для обеспечения направленного затвердевания. Как показали результаты моделирования, уровень усадочных дефектов в проблемных зонах минимален и составляет менее 1%. Однако, учитываю высоту падения металла, вероятно разрушение керамической оболочки. Поэтому дальнейшая оптимизация данной конструкции ЛПС не проводилась. Учитывая положительные результаты моделирования варианта 3, предложен вариант конструкции ЛПС (вариант 4), представленный на рис. 9.

Рис. 9. Вариант 4

Конструкция ЛПС должна обеспечить ярусное заполнение формы металлом, с подводом горячего металла в верхнюю часть прибылей. С этой целью применена система питателей диаметром 20 мм в нижнем ярусе и 40 мм в верхнем с подводом металла к трем прибылям. Высота прибылей уменьшена на 100 мм, что обеспечивает снижение металлоемкости формы на 20 %.

Полное описание моделирования затвердевания крупногабаритной отливки «Корпус» ⇒ Моделирование отливки корпус.pdf

Литература

1. Монастырский А.В. Разработка технологии литья крупногабаритных турбинных лопаток с применением систем «Полигон» / А.В. Монастырский, В.П. Монастырский, Е.М. Левитан // Литейное производство. – 2007. – №9. – С. 34 – 39.

2. Огородникова О.М. Компьютерное моделирование горячих трещин в литых деталях / О.М. Огородникова, Е.В. Пигина, С.В. Мартыненко // Литейное производство. – 2007. – №2. – С. 27 – 31.

3. Савельев Ю.Н. Литье по выплавляемым моделям: взгляд изнутри Ю.Н. Савельев, В.В. Турищев // CADmaster. 2004. № 4. С. 30 – 35.

Авторы статьи: Т.И. Сушко, А.В. Бучнев, В.В. Турищев, Т.В. Пашнева

Владислав Турищев, ООО «ПроМодель»,