Совершенствование методики расчета литниковых систем для отливок "Лопатка ГТД" из никелевых жаропрочных сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование методики расчета литниковых систем для отливок «Лопатка ГТД» из никелевых жаропрочных сплавов

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

На правах рукописи

Чибирнова Юлия Валентиновна

Рыбинск - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении 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 «13» ноября 2007 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева»

Автореферат разослан « 11 » октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие ГТД характеризуется ростом удельных параметров двигателя, уменьшением его массы и увеличением нагрузок на узлы и детали. Решение этих задач не возможно без повышения качества и надежности наиболее ответственных деталей двигателя: лопаток турбины, изготавливаемых из никелевых жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям. Однако на отливках этого типа обнаруживается более десятка различных литейных дефектов. Эти дефекты являются следствием множества причин. Следовательно, обеспечение требуемых свойств и качества лопаток является главной задачей производства, что достигается правильным выбором материалов и эффективностью применяемых технологических процессов их изготовления.

При проектировании технологического процесса литья по выплавляемым моделям в настоящее время используются руководящие материалы или упрощенные методики, что требует последующей корректировки и доводки полученных параметров на опытных отливках. Все это приводит к увеличению сроков подготовки производства и материальных затрат. Устранение отмеченных недостатков проектирования технологических процессов литья частично достигается использованием автоматизированных систем. В настоящее время на высоком научном уровне решены задачи начального этапа проектирования, а также затвердевания отливки. Однако вопросы выбора оптимальных режимов заполнения полости формы расплавом, определяющих основные параметры заливки: скорость подвода расплава в форму, температуру заливки и формы и исполняемые размеры литниковой системы, решены недостаточно и требуют проведения исследований.

В связи с этим возникает необходимость создания методов проектирования литниковых систем и математических моделей для решения конкретных задач с учетом специфических особенностей литья по выплавляемым моделям с целью обеспечения требуемого качества литых изделий и эффективности технологической подготовки производства.

Цель работы. Повышение качества отливок «Лопатка ГТД» за счет выбора оптимальной конструкции, размеров литниковой системы и параметров заливки на основе исследования процесса заполнения полости формы расплавом.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

Экспериментальное и теоретическое изучение тепловых и гидродинамических особенностей течения расплава в протяженной полости керамической формы переменного сечения;

Построение математической модели процесса заполнения и разработка методики расчета основных параметров;

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

Разработка методики определения теплофизических свойств литейных никелевых жаропрочных сплавов;

5. Разработка алгоритма и 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. Установлена взаимосвязь между конструкцией литниково-питающей системы, способом подвода расплава, размерами отливки, параметрами заливки и характером появления дефектов.

2. Исследованы режимы заполнения полости формы расплавом и установлена область гарантированного заполнения, обусловленная определенными значениями расходов, скоростей и напоров.

3. Определен критерий компактности потока, накладывающий ограничение на значение скорости течения расплава по каналам литниковой системы и полости формы, расхода из ковша.

4. Разработана математическая модель процесса заполнения полости формы расплавом, обеспечивающая сокращение появления дефектов на стадии заполнения.

5. Разработана методика расчета теплофизических свойств никелевых жаропрочных сплавов в зависимости от химического состава.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика расчета литниково-питающей системы и параметров заливки для отливок типа «Лопатка».

2. Разработана методика расчета теплофизических свойств, позволяющая значительно повысить точность при моделировании процесса заполнения полости формы расплавом и затвердевания отливки.

Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту.

1. Критерий компактности потока, полученный на основании анализа партии отливок и проведения экспериментального исследования методами гидромоделирования и численного моделирования, устанавливающий скорость заполнения формы расплавом.

2. Математическая модель процесса заполнения полости формы расплавом.

3. Методика расчета теплофизических свойств (теплоемкость, теплопроводность, плотность, вязкость), основанная на анализе литературных данных и статистической обработке экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на всероссийской НТК «Новые материалы и технологии, НМТ-2006», Москва, 2006; на международной школе - конференции молодых ученых, аспирантов, и студентов РГАТА имени П. А. Соловьева, Рыбинск, 2006; на научной конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников. Изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 23 таблицы, 38 рисунков, библиографический список содержит 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ литературных данных по вопросам:

- условий эксплуатации отливок «Лопатка»;

- методов изготовления отливок «Лопатка»;

- методов расчета заполняемости литейных форм расплавом. Рассмотрены эмпирические методы, полученные на основе обобщенного производственного опыта, теоретические методы, основанные на результатах моделирования процесса течения расплава на пробах на жидкотекучесть, методы, основанные на оптимизации процессов заливки по критериям качества. Особое внимание уделено анализу современных систем автоматизированного проектирования литейных процессов, рассмотрены их преимущества и недостатки.

На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены материалы и методики исследований. Исследования проводились на никелевых литейных жаропрочных сплавах, применяемых для изготовления рабочих и сопловых лопаток. Необходимые образцы отливок и форм выполнялись методами литья по выплавляемым моделям согласно серийным технологиям.

Моделирование процесса заполнения полости формы расплавом осуществлялось на специально сконструированной установке, включающей заливочное устройство и прозрачные модели форм с изменяющимися размерами пера лопатки за счет специальных вставок. Выбор размеров литейной формы и моделирующей жидкости основывался на анализе технологических процессов и теории подобия.

Исследование процесса заполнения также проводилось методом математического моделирования с использованием САМ «Полигон» (версия 10) и «ProCast» (версия 2006). Моделирование велось на трехмерных моделях лопаток, построенных в CAD «Unigraphics NX». Параметры заливки задавались аналогичными параметрам заливки реальных блоков.

Обработка данных проводилась с помощью пакета прикладных программ «STATISTICA».

Третья глава посвящена анализу брака отливок, изготавливаемых в производственных условиях, и причинам их возникновения. В работе исследовались лопатки, относящиеся к третьему и четвертому (с внутренней полостью) классу, изготавливаемых с ЛПС II типа.

Согласно данным деятельности литейных цехов, изготавливающих отливки типа «Лопатка» III и IV класса методом литья по выплавляемым моделям с использование ЛПС II типа, основными видами брака являются засор, шлаковые включения, спай, незалив, возникающие на стадии заполнения полости форм расплавом. Усадочные дефекты для подобных отливок, как правило, не характерны. Анализ рентгеновского и ЛЮМ-контроля, проведенный на партии забракованных лопаток, показал, что скопление дефектов в отливках, изготавливаемых с использованием ЛПС II типа, наблюдается в определенных местах. При верхнем подводе расплава наиболее характерно появление дефектов в центральной части пера лопаток и под замком, а при боковом подводе расплава в нижней части пера лопатки и по его тонкой кромке со стороны питателя (рис. 1). Такое расположение дефектов свидетельствует о взаимосвязи между конструкцией литниково-питающей системы, способом подвода расплава, размерами отливки и параметрами заливки.

заливка жаропрочный никелевый сплав

а) б)

Рис. 1. Распределение дефектов в отливках III класса (ЛПС II типа) по данным: а) рентгеновского и б) ЛЮМ-контроля

Для выявления причин возникновения дефектов было проведено изучение механизма течения расплава в полости формы методом гидромоделирования и численного моделирования в программных комплексах «Полигон» и «ProCast», основанное на численном решение уравнения Новье-Стокса.

Изучение механизма заполнения полости формы при верхнем-боковом и верхнем-верхнем подводе расплава к полости формы для лопаток с длиной пера 60 - 200 мм проводилось на прозрачных моделях по методике, приведенной во второй главе. Для лопаток с длиной пера 300 - 400 мм исследование процесса заполнения велось методом численного моделирования. Расход моделирующей жидкости принимался таким же, что и для реальных блоков и контролировался по времени заливки.

В ходе исследования были получены следующие данные.

При верхнем-боковом подводе расплава и расходах менее 2 ? 10-6 м3/с наблюдается разбиение потока на отдельные фрагменты (рис. 2). При увеличение расхода до 3 ? 10-6 м3/с отмечается формирование фронта потока вдоль толстой кромки пера лопатки, который впоследствии разбивается на отдельные капли. При расходах более 8 ? 10-6 м3/с отмечается появление сплошной части потока. Дальнейшее увеличение расхода приводит к росту длины сплошного фронта. При расходах более 50 ? 10-6 м3/с возможно увеличение брака по засорам вследствие значительной турбулентности потока. При увеличении длины пера лопатки область формирования сплошного фронта потока сдвигается в сторону больших значений расходов. Однородный поток при верхнем-боковом подводе при длине лопатки 300 - 400 мм может быть получен при расходах более 50 ? 10-6 м3/с. Однако повышение расхода, а, следовательно, и скоростей заполнения формы расплавом и турбулентности приводит к повышению уровня брака по засорам.

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

в)

V < 2 ?10-6 м3/с V > 3 ?10-6 м3/с V > 8 ?10-6 м3/с V > 50 ?10-6 м3/с

Рис. 2. Характер течения расплава в полости формы при верхнем-боковом подводе: а) экспериментальные данные; б) «Полигон»; в) «ProCast»

При верхнем-боковом подводе расплава и малых значениях расхода (менее 3 ? 10-6 м3/с) наблюдается раздвоение потока, вероятно, под действием сил поверхностного натяжения и его движение по кромкам пера лопатки с разбиением на капли (рис. 3). При повышении расхода более 3 ? 10-6 м3/с отмечается появление устойчивого фронта потока. При значениях расхода более 8 ? 10-6 м3/с длина сплошной части потока возрастает. Однако дальнейшее повышение расхода может приводить к появлению турбулентности, что способствует увеличению брака. При увеличении длины пера лопатки до 300 мм формирование фронта потока без разрывов достигается при расходах более 30 ? 10-6 м3/с. Для лопатки с длиной пера 400 мм однородный фронт потока отмечается при расходах более 50 ? 10-6 м3/с.

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

в)

V < 32 ? 10-6 м3/с V > 3 ? 10-6 м3/с V > 19,8 ? 10-6 м3/с

Рис. 3. Характер течения расплава в полости формы при верхнем-верхнем подводе: а) экспериментальные данные; б) «Полигон»; в) «ProCast»

Исходя из полученных данных, можно сделать следующие выводы:

1) для обоих способов подвода металла к отливке наблюдается область гарантированного качественного заполнения, обусловленная определенными значениями расхода, скоростей и напоров;

2) заполнение формы расплавом сплошным потоком при верхнем-верхнем подводе металла наблюдается при меньших значениях расхода и скорости движения потока, чем при верхнем-боковом подводе;

3) использование верхней-боковой и верхней-верхней литниково-питающих систем может быть рекомендовано для лопаток с длиной пера до 200 мм. При длине пера лопатки более 200 мм заполнение формы сплошным потоком расплава возможно только при очень больших значениях расхода и скоростей, что может приводить к увеличению брака по засорам.

Результатом исследования явилась разработка математической модели процесса заполнения полости формы расплавом. Течение расплава в полости формы однозначно описывается системой уравнений Новье-Стокса и неразрывности. Кроме того, при верхнем заполнении формы существенное влияние на характер течения расплава оказывают капиллярные силы между расплавом и твердыми стенками формы, вызывающие появление дополнительного давления, которое создает подъем или понижение уровня жидкости в тонком канале литейной формы. Однако получение аналитического решения этой системы уравнений для отливок типа «Лопатка» является достаточно сложным, поэтому определение параметров заливки проводилось методами подобия и размерностей.

Анализ математической модели показывает, что на процесс заполнения полости формы расплавом влияние оказывают геометрические размеры полости формы, свойства расплава (плотность, вязкость, поверхностное натяжение), давление и сила тяжести. Приведение системы уравнений к безразмерному виду позволило получить безразмерные комплексы: Рейнольдса Re, Фруда Fr и Вебера We, а также критерий компактности потока Lп, характеризующий размеры системы.

В качестве критерия, характеризующего процесс заполнения, был выбран критерий компактности потока, равный отношению компактной части потока расплава к толщине полости формы, то есть

Lп = Lкомп / ср. (1)

где Lп - критерий компактности потока;

Lкомп - длина компактной части потока, м;

?ср - средняя толщина полости формы, м.

Обработка полученных экспериментальных данных проводилась в числах подобия Рейнольдса, Вебера, Фруда. Построение регрессионных уравнений осуществлялась с помощью пакета STATISTICA. Из большого числа вариантов были выбраны степенные функции, которые имеют максимальное значение коэффициента детерминации R2 и в большей мере отвечают предъявляемым требованиям и чаще всего используются в практике литейного производства для описания подобных процессов. Таким образом, при верхнем-боковом подводе расплава в полость литейной формы для определения длины компактной части потока, а, следовательно, и максимально возможной длины пера лопатки в зависимости от условий заливки может быть рекомендована зависимость:

Lп = 0,39 . Weж 0,1 . Fr 0,32 . Reж 0,4 (R2 = 0,946) (2)

при условии, что 0,1 < Weж < 100 ; 0,1 < Fr < 25 ; 300 < Reж < 10000

При верхнем-верхнем подводе расплава в полость литейной формы зависимость подобная зависимость принимает вид:

Lп = 0,5. Weж 0,11.Fr 0,33 . Reж 0,4 (R2 = 0,962) (3)

при условии, что 0,1 < Weж < 100; 0,1 < Fr < 25; 350 < Reж < 8500.

Таким образом, зная геометрические размеры отливки (длину и толщину пера лопатки) можно определить значение Lп, рассчитать по уравнению подобия рекомендуемую скорость течения расплава в полости формы, а, следовательно, определить и значение расхода расплава из ковша при заливке.

Для определения работоспособности предложенных математических моделей была проведена экспериментальная проверка, заключающаяся в анализе существующих технологических процессов изготовления отливок типа «Лопатка» в условиях производства.

В процессе этой работы производилось определение реальных параметров заливки, таких как расход, скорость течения расплава, величина напора, и рассчитывалась по предложенным зависимостям длина компактной части потока, которая сравнивалась с длиной пера изготавливаемой лопатки. Контроль качества отливок, включал в себя визуальный контроль, контроль геометрии, люминесцентный и рентгеновский контроль, контроль механических свойств (определение кратковременной и длительной прочности). Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние условий заливки на уровень брака отливок типа «Лопатка»

Тип ЛПС	Класс Отливки	Длина компактной части потока Lп, мм	Длина пера реальной лопатки, мм	процент брака отливок, возникающего на стадии заполнения
		40	35	5,3
II	III	52	56	9,8
		59	78	17,3
		45	32	6,8
II	IV	63	64	8,4
		64	83	15,1

Анализ приведенных данных позволил сделать вывод о том, что полученные зависимости можно рекомендовать для определения и корректировки основных параметров заливки (расхода, скорости и величины напора) при изготовлении отливок III и IV классов при использовании литниковой системы II типа, то есть при верхнем заполнении полости формы расплавом.

В четвертой главе приведена обобщенная модель процесса заполнения полости формы расплавом. Первая стадия процесса изготовления отливки, а именно, заполнение полости формы расплавом начинается с истечения расплава из ковша, попадания его в литниковую чашу, и, наконец, течение по каналам литейной формы. Таким образом, появляется возможность разбить весь процесс на отдельные этапы и описать их математически, накладывая ограничения на основные параметры литья, которые были сформулированы в предыдущей главе. При течении расплава по каналам литейной формы происходит изменение скорости течения, протекает процесс теплообмена между расплавом и формой, а, следовательно, изменяются температурные поля расплава и формы. Для полного описания процесса заполнения в математической модели были учтены эти особенности и определены значения коэффициентов расхода, коэффициентов теплоотдачи, а также рассчитано температурное поле формы на момент окончания заливки.

Таким образом, обобщенная математическая модель заполнения полости формы расплавом представляет собой систему уравнений, которые включают в себя:

- уравнения 4 описывают истечение расплава из ковша плавильно-заливочной установки;

- уравнения 5 описывают изменение скорости движения расплава в элементах литниковой системы или полости формы;

- уравнения 6 описывают длину компактной части потока при заполнении полости формы расплавом и накладывают ограничения на значение скорости течения расплава в каналах литниковой системы или полости формы и расход из ковша;

- уравнения 7 описывают падение температуры фронта потока на участках литниковой системы и формы;

- условия 8 накладывают ограничения на температуру фронта потока и формулируют допущения.

Допуская, что скорость потока расплава, его физические свойства на i участке формы и температура формы постоянны, а передача теплоты от потока расплава происходит только через боковую поверхность полубесконечной формы математическая модель принимает вид:

(4)

(5)

 (6)

(7)

tф = const ; tм /y=0/ = tзал = сonst; ti /y=y1 / > tL , (8)

где Q1 и Q2 - объем металла, выливающегося из ковша в единицу времени, м3/с; Н - высота ковша, м; R - радиус ковша, м; ? = ?? - текущий угол поворота ковша, рад; ? - время заливки, с; ; ? - угол наклона стенок ковша по отношению к вертикальной оси; - сопротивление системы на i участке заполнения; Vi - расход на i участке заполнения, м3/с; Fуз - площадь узкого сечения литниково-питающей системы, м2; Fi - площадь сечения литниково-питающей системы на i участке, м2; ? - угловая скорость поворота ковша, рад/с; wуз - скорость в узком сечении литниково-питающей системы, м/с; wi - скорость на i участке заполнения формы, м/с; ?i - коэффициент расхода на i участке заполнения; Sстр - площадь поверхности струи, м2; Vстр - объем металла в струе, м3; Tм и Tв - температуры расплава и воздуха, К; ?рас - степень черноты расплава; ?t - падение температуры на участке литейной формы, оС; qтеч - удельная теплота течения расплава, Вт/м2; М1 и М2 - масса металла в элементе литниковой системе и в форме, кг; tзал, tкр, tф - температуры заливки, кристаллизации и формы начальная, oС; li - протяженность i элемента заполнения полости формы, м; i - толщина i элемента заполнения формы, м; cж, ж - удельная теплоемкость, Дж/(кгК) и плотность металла, кг/м3 в жидком состоянии; bж, bф - коэффициенты тепловой аккумуляции металла и формы, (Втс0,5)/(м2К); теч = tзал - tфн - относительная температура; i - коэффициент теплоотдачи на i участке формы, Вт/(м2К).

Пятая глава посвящена определению теплофизических свойств жаропрочных никелевых сплавов: плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности. Рассмотрены экспериментальные и теоретические методы определения теплофизических свойств. Анализ литературных источников показывает, что имеющиеся в литературе данные относятся к области рабочих температур деталей. Тогда как область более высоких температур (выше температур солидуса и ликвидуса сплава) остается практически неисследованной. Экспериментальные исследования теплофизических свойств сплавов трудоемки и дорогостоящи. В связи с этим возникает необходимость обработки имеющихся данных с целью создания расчетных методик определения плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности в зависимости от химического состава сплава.

Для определения плотности и теплоемкости сплавов в зависимости от химического состава принимались уравнения по правилу аддитивности.

Для расчета плотности сплавов:

, (9)

где ?СПЛ, ?i - плотность сплава и i компонента сплава соответственно, кг/м3;

Сi - содержание i компонента в сплаве.

Для расчета теплоемкости сплавов:

(10)

где Cспл, сi - теплоемкость сплава и i компонента соответственно, Дж/(кгК);

Сi - содержание компонента в сплаве.

Расчетная методика нахождения теплопроводности сплава основана на зависимости теплопроводности сплава от его химического состава. Статистическая обработка данных по химическому составу и теплопроводности ряда сплавов с использованием пакета STATISTICA позволила получить регрессионную модель для расчета теплопроводности. Коэффициент регрессии R = 0,76. На основе полученных данных была выведена регрессионная модель для определения теплопроводности исследуемых сплавов, которая имеет вид:

, (11)

где W, Mo, Cr, Co, Al, Ti - процентное содержание в сплаве вольфрама, молибдена, хрома, кобальта, алюминия, титана соответственно.

Данная регрессионная модель справедлива для ряда никелевых жаропрочных сплавов, в которых содержание основных легирующих элементов (%) не превышает определенных пределов:

- содержание вольфрама 0 < W < 16;

- содержание молибдена 0,7 < Мо < 6,0;

- содержание хрома 4,9 < Cr < 19,2;

- содержание кобальта 0 < Со < 13,5;

- содержание алюминия 1,4 < Al < 5,8;

- содержание титана 0,5 < Ti < 4,4.

Экспериментальное определение кинематической вязкости для некоторых литейных жаропрочных сплавов было проведено капиллярным методом по ГОСТ 8420 - 74 с использованием керамического вискозиметра ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм, вместимостью не менее 100 см3 по ГОСТ 9070 - 75. Вискозиметр изготавливали по технологии литья по выплавляемым моделям. Статистическая обработка экспериментальных данных с использованием пакета STATISTICA позволила построить регрессионные уравнения изменения кинематической вязкости от температуры, которые были использованы при реализации математической модели заполнения полости формы расплавом. Выбор вида математической модели осуществлялся по максимальному значению коэффициента детерминации R2. Регрессионные модели определения вязкости для некоторых сплавов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Температурные зависимости изменения кинематической вязкости для некоторых жаропрочных сплавов

Сплав	Математическая модель	R2
ЖС3	= 0,663.t-1,862	0,973
ЖС6К	= 0,676.t-1,855	0,975
ЖС6Ф	= 0,6862.t-1,849	0,979
ЖС26	= 0,663.t-1,861	0,9763

Определение вязкости также проводилось по уравнению Аррениуса:

, (12)

где Ni и ?i - мольная доля и кинематическая вязкость i компонента,

H - мольная энтальпия образования сплава:

, (13)

где Ni - мольная доля i компонента в сплаве;

Нплi - мольная теплота плавления элемента, Дж/моль;

R - молярная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(мольК);

Т - температура расплава, К.

При расчете значений кинематической вязкости для исследуемой группы сплавов по уравнению Аррениуса были получены результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными, что позволяет использовать уравнение Аррениуса для расчета кинематической вязкости сплавов, исходя из термодинамических характеристик входящих в них элементов.

Приведенные зависимости для определения плотности, теплоемкости, теплопроводности, вязкости ряда жаропрочных никелевых сплавов могут быть положены в основу подпрограммы по расчету теплофизических свойств сплавов, исходя из их химического состава. Все необходимы данные, как по химическому составу сплавов, так и термодинамические характеристики чистых элементов, входящих в их состав, должны содержаться в базе данных системы моделирования. Использование подпрограммы по расчету теплофизических свойств в системе моделирования литейных процессов позволит сократить время на подготовку расчетов, связанное с поиском необходимых свойств сплавов в справочной литературе, и обеспечит адекватность процесса моделирования.

Выводы по работе

1. Методами физического моделирования проведено изучение характера течения расплава в полости формы литья по выплавляемым моделям для отливок «Лопатка» при верхнем подводе, что позволило доказать влияние характера движения расплава на появление и расположение дефектов в теле отливки и установить область гарантированного заполнения полости формы расплавом, границы которой определены значениями скоростей и напоров.

2. На основе обработки экспериментальных и производственных данных по результатам изготовления отливок предложен критерий компактности потока, накладывающий ограничения на значение скорости течения расплава по каналам литниковой системы и полости формы, расход из ковша, что позволяет установить оптимальные режимы заливки форм и сократить вероятность появления дефектов на стадии заполнения полости формы расплавом.

3. Разработана оригинальная методика расчета оптимальных параметров заливки и размеров литниково-питающей системы, включающая расчеты истечения расплава из ковша плавильно-заливочной установки; изменения скорости движения расплава в элементах литниковой системы или полости формы; длины компактной части потока; падение температуры фронта потока на участках литниковой системы и формы, а также ограничения на температуру фронта потока и допущения, что обеспечивает сокращение сроков технологической подготовки производства на 30 - 40 %, сокращение уровня брака на 15 - 20 %.

4. Разработана методика определения теплофизических свойств (теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости) жаропрочных никелевых сплавов в зависимости от их химического состава и алгоритм расчета этих параметров, что обеспечивает значительное повышение точности при моделировании процесса заполнения полости формы расплавом и затвердевания отливки.

5. Проведена оценка систем автоматизированного моделирования.

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях

1. Чибирнова, Ю. В. Система выбора типа ЛПС для отливок Лопатка [Текст] / Ю. В. Чибирнова, А. А. Шатульский // Материалы международной школы-конферции молодых ученых, аспирантов, и студентов РГАТА имени П. А. Соловьева, Авиационная и ракетнокосмическая техника с использованием новых технических решений. - Рыбинск: РГАТА, 2006. - ч.4., С. 71-74.

2. Равочкин, А. С. Совершенствование методики расчета параметров литья по выплавляемым моделям для отливок Лопатка [Текст] / А. С. Равочкин, Ю. В. Чибирнова, А. А. Шатульский // Материалы международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов, и студентов РГАТА имени П. А. Соловьева, Авиационная и ракетнокосмическая техника с использованием новых технических решений. - Рыбинск, - 2006. - ч.4., С. 76-79.

3. Шатульский, А. А. Определение коэффициентов расхода элементов литниковых систем литья по выплавляемым моделям [Текст] / А. А. Шатульский, В. А. Изотов, А. С. Равочкин, Ю. В. Чибирнова // Материалы Всероссийской НТК Новые материалы и технологии, НМТ-2006, Москва, МАТИ - С. 46-47.

4. Шатульский, А. А. Совершенствование методики расчета параметров литья по выплавляемым моделям [Текст] / А. А. Шатульский, Ю. В. Чибирнова // Заготовительные производства в машиностроении, 2007. - №4. С. 2-6.

5. Чибирнова, Ю. В. Разработка методики выбора оптимальных параметров заливки для отливок типа Лопатка [Текст] / Ю. В. Чибирнова, А. А. Шатульский // Сб. Материаловедение и металлургия, труды Н-ГГУ, Нижний Новгород. - 2007. - С. 25-30.

6. Шатульский, А. А. Моделирование процесса заполнения полости формы расплавом [Текст] / А. А. Шатульский, В. А. Изотов, А. А. Акутин, А. С. Равочкин, Ю. В. Чибирнова // Заготовительные производства в машиностроении, 2007. - №8. - С. 11-17.

7. Шатульский, А. А. Оптимизация режимов заливки форм литья по выплавляемым моделям [Текст] / А. А. Шатульский, В. А. Изотов, Ю. В. Чибирнова // Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве: тез. докл. науч-техн. конф. в 2 т. - Т.1 - Рыбинск: РГАТА, 2007.- С. 73-76.

Размещено на Allbest.ur