CC BY
1
УДК 621.74
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-580-581
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СКМ ЛП «ПОЛИГОНСОФТ»
А.В. Анцев, С.К. Захаров, А.А. Арсеньева
Выполнена разработка литниково-питающей системы (ЛПС) для изготовления литых заготовок на примере детали «Крепежная рамка» из стали 09Х16Н4БЛ ГОСТ 977-88 методом литья по выплавляемым моделям. За основу была принята схема ЛПС с питанием через коллекторную ветвь, соответствующая типу II с многоярусными горизонтальными коллекторами в качестве питающих элементов. На основе моделирования процессов заполнения формы расплавом и образования в отливке усадочных дефектов (раковин и пористости) в среде СКМ ЛП «ПолигонСофт» определена эффективность разработанной ЛПС. Анализ результата заполнения формы расплавом (гидродинамический расчет) на предмет отсутствия недоливов выполнен посредством модуля «Эйлер», а анализ результата питания отливки через оценку распределения и величины усадочных дефектов выполнен посредством модуля «Фурье» СКМ ЛП «ПолигонСофт». Наиболее серьезные усадочные дефекты (свыше 2,4 %) присутствуют в верхнем ярусе формы в технологических элементах (верхний ряд коллекторов и литниковая воронка). В целом наблюдается отсутствие усадочных раковин в металле заготовок целевых изделий «Крепежная рамка», но есть незначительная усадочная пористость (1,6-2,1 %) со стороны питателей, связанных с нижними коллекторами в каждом ярусе формы.
Ключевые слова: литье по выплавляемым моделям, литниково-питающая система, моделирование, гидродинамический расчет, усадочные дефекты, СКМ ЛП «ПолигонСофт».
Способ литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) широко используется при изготовлении отливок из широкой номенклатуры литейных сплавов в условиях мелко- и среднесерийного производства для отраслей машиностроения и приборостроения.
Данный способ обеспечивает получение качественных малогабаритных легких тонкостенных литых заготовок сложной конфигурации с высокой точностью геометрических параметров, с минимальным объемом последующей механической обработки, в том числе за счет минимизации литейных дефектов (пористость, недоливы и др.)
Одним из важнейших элементов, определяющих качественный результат при реализации технологии ЛВМ, является технологичная литниково-питающая система (ЛПС), обеспечивающая заполнение литейной формы расплавом с оптимальной скоростью, исключающая образование в отливке недоливов, компенсирующая объемную усадку в период затвердевания отливки с получением в ней металла заданной плотности.
В данной работе приведены результаты разработки ЛПС и проверки ее эффективности для изготовления способом ЛВМ литых заготовок детали «Крепежная рамка» (см. рис. 1) массой 71 г из литейной легированной кор-розионностойкой высокопрочной стали мартенситного класса 09Х16Н4БЛ ГОСТ 977-88, включающей следующие основные химические элементы: С 0,09%, Si 0,4%, Mn 0,45%, Cr 16%, Ni 4%, Nb 0,125%.
Вопросы расчета и оптимизации конструкции ЛПС рассмотрены в значительном числе работ [1-9]. При этом особое внимание уделено построению системы питания отливки при затвердевании, направленной на формирование изделия с необходимой геометрической и размерной точностью, устранение недоливов и усадочных дефектов (пористости, раковин) [2, 3, 4, 6, 7].
Конструирование ЛПС выполнялось с учетом обеспечения принципа направленного затвердевания отливки от наиболее тонкостенных ее частей к более массивным частям и прибылям, а также принципа вертикального расположения наиболее протяженных стенок и тонких фрагментов литейной формы, обеспечивающего наиболее благоприятные условия их спокойного и надежного заполнения расплавом [1].
¿615
25
ЕШ)
' /:. перы длр спра&х
а б
Рис. 1. Эскиз (а) и изометрическое изображение (б) детали «Крепежная рамка»
585
За основу была принята схема ЛПС с питанием через коллекторную ветвь [4], соответствующая типу II с многоярусными горизонтальными коллекторами в качестве питающих элементов [1]. Такая схема позволяет обеспечить изготовление группы отливок, подвод расплава к каждой отливке через два питателя, что повышает выход годного литья, а также удобство отрезки готовых отливок дисковым инструментом.
Схема ЛПС представлена на рис. 2. Конструкция литниковой системы, рассчитанная на изготовление двенадцати отливок, включает один вертикальный стояк 2 с воронкой 1, соединенный с шестью лучевыми горизонтальными коллекторами прямоугольного сечения, попарно обеспечивающими подвод расплава в три рабочие полости литейной формы 5 через питатели 4. Для повышения качества литых изделий и обеспечения оптимальных условий заливки, тонкие протяженные стенки отливок ориентированы вертикально, а подвод расплава к рабочим полостям осуществляется сверху и снизу через наиболее массивные части (тепловые узлы) отливок.
Рис. 2. Схема литниковой системы и отливок: 1 - литниковая воронка; 2 - стояк; 3 - коллекторы;
4 - питатели; 5 - литые заготовки детали «Крепежная рамка»
Элементы питания ЛПС были рассчитаны с учетом метода приведенных толщин Н.И. Хворинова [1, 2]. Кроме того, был произведен расчет литниковых каналов ЛПС на обеспечение заполняемости формы расплавом на основе методики, представленной в [1], а также на основе эскиза (см. рис. 1) была разработана конструкция литой заготовки целевого изделия. На основе расчетов получен эскиз ЛПС, представленный на рис. 3.
Согласно рекомендациям [1] диаметр стояка находится в пределах 26 - 65 мм, расстояние от верхнего уровня литниковой воронки до верхнего ближайшего к нему уровня ряда отливок составляет не менее 60 мм.
Рис. 3. Эскиз литниковой системы и отливок
586
Форма ЛВМ представляет собой оболочку, изготовленную из керамического состава на основе АЬОз (ВИАМ) с толщиной слоя 4 мм. Параметры керамики на основе АЬОз и кварцевого песка представлены в табл. 1.
Перед заливкой форма ЛВМ нагревается до 900°С и размещается в резервуаре с кварцевым песком. Заполнение формы расплавом осуществляется из разливочного ковша со средней скоростью струи 2,5 м/с.
Таблица 1
_Параметры керамики на основе AhOз (ВИАМ) и кварцевого песка
Параметр_|_Значение
Керамический состав на основе AI2O3 (ВИАМ)
Теплоемкость, кДж/(м3-°К)
3125 -5625
Теплопроводность, Вт/(м -°К)
2,2
Кварцевый песок с размером частиц 0,2 - 0,3 мм и плотностью 1630 кг/м3
Теплоемкость, кДж/(м3-°К)
1207 -2174
Теплопроводность, Вт/(м -°К)
0,35 -0,8
Эффективность разработанной ЛПС определялась на основе решения следующих задач:
1) анализ результата заполнения формы расплавом на предмет отсутствия недоливов;
2) анализ результата питания отливки через оценку распределения и величины усадочных дефектов - раковин и пористости.
Для решения указанных задач выполнено моделирование в СКМ ЛП «ПолигонСофт» [10].
Трехмерная геометрическая модель, состоящая из литых заготовок целевого изделия и ЛПС, разработана с использованием САПР «SolidWorks» на основе эскиза, представленного на рис. 3.
Сетка численного метода конечных элементов (МКЭ), необходимая для выполнения моделирования, сгенерирована для сохраненной в формате STEP геометрической модели с использование модуля «Mesh» в среде программы «Salome» (Франция) [11, 12], являющейся основным сеточным генератором СКМ ЛП «ПолигонСофт» (см. рис. 4).
Рис. 4. Результат генерации сетки в модуле «Mesh» программы «Salome»
Сетка была создана с подсетками для более точного расчета целевых изделий - литых заготовок детали «Крепежная рамка».
Параметры сетки и подсеток МКЭ представлены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры сгенерированной сетки и подсеток МКЭ_
Параметр | Значение
Сетка
Алгоритм NETGEN1D -2D - 3D
Точность грубо
Скорость роста 0,5
Максимальный размер ячейки 2
Минимальный размер ячейки 0,5
Количество сегментов на ребро 0,5
Количество сегментов на радиус 1,5
Подсетка
Алгоритм NETGEN1D -2D - 3D
Точность грубо
Скорость роста 0,5
Максимальный размер ячейки 10
Минимальный размер ячейки 1
Количество сегментов на ребро 0,5
Количество сегментов на радиус 1,5
Результат генерации сетки и подсеток
Количество узлов 25720
Количество ребер 7068
Количество граней 45846
Количество объемных фигур 78842
В среде СКМ ЛП «ПолигонСофт» штатным инструментом «Создать оболочку» Ш построен объем геометрической модели, соответствующий оболочковой форме ЛВМ (толщина 4 мм), а также объем, учитывающий присутствие слоя песка, удерживающего форму ЛВМ в резервуаре перед заливкой (условно - толщина 20 мм) (см. рис. 5).
Таким образом, расчетная модель в СКМ ЛП «ПолигонСофт» представляет собой многослойную конструкцию, представленную на рис. 6.
вил ««va::s
v ДЧ-а-ч™
' (ШШЕ'ОЛ tt» JE'1 ФтШ n
Рис. 5. Расчетная модель в СКМ ЛП «ПолнгонСофт» (режим отображения границ)
Рис. 6. Расчетная модель в СКМ ЛП «ПолигонСофт» (режим отображения объемов)
Подвод расплава задан штатным инструментом Команда «Подвод расплава» ш на торцевой поверхности литейной воронки.
Анализ результата заполнения формы расплавом (гидродинамический расчет) на предмет отсутствия недоливов выполнен посредством модуля «Эйлер» СКМ ЛП «ПолигонСофт». При этом в исходных данных учтены параметры расплава (файл bd), формы (файл bdf), гидродинамических потоков (файл bdv), а также условия теплопередачи (файл afo) (табл. 3).
Исходные данные для гидродинамического расчета в модуле «Эйлер»
Таблица 3
Параметр
Расплав (сталь 09Х16Н4БЛ ГОСТ 9ИЛ
Температура расплава, °С
1690 (:
постоянная)
Плотность, кг/м3
Теплоемкость, Дж/(кг-°К)
Теплопроводность, Вт/(м -°К)
20,48 -33,70
Теплота затвердевания, Дж/кг
Среда
Температура среды
20 °С (
постоянн
:ая)
Температура формы
900 °С (
постоянная
Теплоемкость и теплопроводность для керамического состава на основе АЬОз (ВИАМ) и кварцевого песка - см. табл. 1
Теплоперед;
Режим (для области подвода расплава)
Температура среды от времени
Температура, °С (для области подвода расплава)
1690 (]
постоянна
Режим (для остальных границ)
В граничную форму или ПБ форму
Скор
ости потоков
Скорость потока (для области подвода расплава)
2,5 м/с (постоянная)
Результаты гидродинамического расчета представлены на рис. 7 и рис. 8.
Мирдж 30 ¡СКМ .ПП ПнипКе+П ■ f:MZATyrfïïi(H^CrATUTJln
ШШ» SI» ЯU is»
шш
Рис. 7. Результат гидродинамического расчета в рабочем окне СКМ «ПолигонСофт»
[illÎ
а б в
Рис. 8. Результат гидродинамического расчета в конечной (а) и промежуточной (б) стадиях процесса
со шкалой скоростей потоков расплава (в)
5flM4»«'M>(CKMJin-ftuHtwHO«m ЩтТртЛОДПЬСТАТыАА Valu1 Imk« PiMrtnu Clpipptrv Cjwnfduril Пр+ня йнм
^ <■> ув - a a' là » * S- t] 'il 's Ei j»
ПелмгвиС®фЛС«п2_1_н)11АМ1)
1,-e a a ma
Рис. 9. Результат расчета образования усадочных дефектов в рабочем окне СКМ «ПолигонСофт»
589
Пчмггост*. X
а б
Рис. 10. Результат расчета образования усадочных дефектов и их распределение в конечной стадии процесса
(а) со шкалой скоростей потоков расплава (б)
Заполнение формы начинается с нижнего яруса коллекторов без существенной разницы в распределении потоков расплава в горизонтальном направлении. Интервал скоростей потоков находится в пределах 0,13-2,2 м/с. В целом заполнение рабочей полости формы расплавом осуществлено без недоливов, а скорости потоков расплава в различных частях литниковой системы и отливках соответствовали данным, приведенным для литья легированных сталей [13].
Анализ результата питания отливки через оценку распределения и величины усадочных дефектов выполнен посредством модуля «Фурье» СКМ ЛП «ПолигонСофт». При этом исходные данные в целом соответствуют табл. 3 по параметрам расплава (файл bd), формы (файл bdf), гидродинамических потоков (файл bdv) и условиям теплопередачи (файл afo), но также задано и внешнее давление, соответствующее атмосферному (0,1 МПа).
Результаты расчета образования усадочных дефектов представлены в конечной стадии процесса на рис. 9
и рис. 10.
Наиболее серьезные усадочные дефекты (свыше 2,4%) присутствуют в верхнем ярусе формы в технологических элементах (верхний ряд коллекторов и литниковая воронка) (рис. 10). В целом наблюдается отсутствие усадочных раковин в металле заготовок целевых изделий «Крепежная рамка», но есть незначительная усадочная пористость (1,6-2,1%) со стороны питателей, связанных с нижними коллекторами в каждом ярусе формы. Данная пористость не оказывает существенного влияния на качество изготавливаемых литых изделий, но избежать ее образования можно через увеличение размеров поперечного сечения соответствующих коллекторов и питателей.
Таким образом, эффективность разработанной ЛПС была подтверждена по результатам моделирования заполнения формы расплавом и образования усадочных раковин и пористости в СКМ ЛП «ПолигонСофт».
Список литературы
1. Иванов В.Н., Казеннов С.А., Курчман Б.С. и др. Литье по выплавляемым моделям / под общей редакцией Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. М.: Машиностроение, 1984. 408 с.
2. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. М.: Машгиз, 1958. 392 с.
3. Рабинович Б.В. Введение в литейную гидравлику: Свойства расплавов. Особенности течения. Литниковые системы. М.: Машиностроение, 1966. 423 с.
4. Руссиян С.В., Голованов Н.Н. Производство точного литья по выплавляемым моделям. Л.: Судпромгиз, 1958. 346 с.
5. Кондратьев Ю.П. Конструирование литых деталей и оснастки для литья по выплавляемым моделям. Л.: Судпромгиз, 1960. 199 с.
6. Лященко Н.Н. Литниково-питающие системы при литье по выплавляемым моделям // Сб. ВПТИ Мин-трансмаш «Вопросы точного литья», 1956. Вып. 16.
7. Хенкин М.Л. Питание стальных отливок, изготавливаемых по выплавляемым моделям // Литейное производство. 1955. № 5.
8. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов: учеб. пособие для вузов. Л.: Машиностроение, 1976. 216 с.
9. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч. 1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки: учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1976. 328 с.
10. СКМ ЛП «ПолигонСофт». Руководство пользователя. Версия 2022.0. М. СПб: CSoftDevelopment,
2021, 344 с.
11. Создание трехмерных объектов и их разбиение на конечные элементы в Salome // «Ладуга». Инженерные услуги [Электронный ресурс]. URL: https://laduga.ru/salome/tutorial geometry .shtml (дата обращения: 20.09.2023).
12. Сетка в Salome 8 // Конструкторский сайт Д. Денисова [Электронный ресурс] URL: https://конструкторский.рф/2018/01/13/сетка-в-salome-8/ (дата обращения: 20.09.2023).
13. Назаратин В.В. Технология изготовления стальных отливок ответственного назначения. М.: Машиностроение, 2006. 234 с.
Анцев Александр Витальевич, д-р. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Арсеньева Алина Алексеевна, ассистент, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THE FUNCTIONING OF THE GATING AND FEEDING SYSTEM FOR THE
PRODUCTION OF CASTING BLANKS FROM ALLOY STEEL USING SCM LP «POLYGONSOFT»
A.V. Antsev, S.K. Zakharov, A.A. Arsenieva
The development of a gating and feeding system (GFS) for the production of casting blanks was carried out using the example of the «Fastening frame» part made of steel 09H16N4BL GOST 977-88 using the investment casting method. The basis was the GFS circuit with supply through a collector branch, corresponding to type II with multi-tiered horizontal collectors as supply elements. Based on modeling the processes offilling the mold with the melt and the formation of shrinkage defects (cavities and porosity) in the casting in the SCM LP «PolygonSoft» environment, the effectiveness of the developed GFS was determined. The analysis of the result of filling the mold with the melt (hydrodynamic calculation) for the absence of underfilling was carried out using the Euler module, and the analysis of the result of feeding the casting through the assessment of the distribution and magnitude of shrinkage defects was carried out using the Fourier module of SCM LP «PolygonSoft». The most serious shrinkage defects (over 2.4%) are present in the upper tier of the mold in the technological elements (the upper row of manifolds and the sprue funnel). In general, there is an absence of shrinkage cavities in the metal of the blanks of the target products «Fastening frame», but there is a slight shrinkage porosity (1.6-2.1%) on the side of the feeders associated with the lower collectors in each tier of the mold.
Key words: investment casting, gating and feeding system, modeling, hydrodynamic calculation, shrinkage defects, SCM LP «PolygonSoft».
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Zakharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Arsenieva Alina Alekseevna, assistant, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University УДК 658.562.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-586-587
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.В. Анцев, Е.С. Янов
В статье рассмотрено построение единого информационного пространства сбора и обработки информации о протекании процессов резания режущим инструментом на всем парке технологического оборудования предприятия, обеспечивающего применение обобщенной стохастической модели отказов режущего инструмента на основе сбора и хранения параметров обобщенной стохастической модели для каждой пары режущий инструмент - обрабатываемая деталь для конкретной единицы технологического оборудования и статистических данных по результатам обработки в конкретных производственных условиях, требуемые для априорного и апостериорного самообучения стохастической модели отказов режущего инструмента. Хранение собираемых статистических данных о протекании технологических процессов с учетом особенностей конкретной единицы технологического оборудования требует создания специального информационного объекта - эксплуатационного проекта, относящегося к классу объектов распределенного искусственного интеллекта, и который может быть представлен конечной последовательностью (иерархией) технологического проекта машины, ремонтного проекта и баз статистических данных об эксплуатации режущего инструмента в конкретных условиях обработки. Представлена Функциональная структура системы эффективной эксплуатации режущего инструмента. Применение эксплуатационного проекта в составе CALS-технологий позволит существенно сократить объемы проектных работ в процессе обеспечения эффективной эксплуатации режущего инструмента.
Ключевые слова: режущий инструмент, износ, обобщенная стохастическая модель, единое информационное пространство, эксплуатационный проект.
Режущий инструмент в технологической системе операции является наиболее слабым элементом, от которого зависит производительность и надежность обработки. Эффективность эксплуатации режущего инструмента в значительной мере определяется условиями обработки, включающими порядок восстановления режущего инструмента, состоящего из способа и периодичности восстановления режущего инструмента и режима резания. Сложность решения задачи обоснованного назначения условий обработки режущим инструментом обусловлена стохастическим характером процесса резания, приводящим к вариабельности периода стойкости инструмента и разбросу периода стойкости инструмента даже в пределах одной партии на уровне 15-35 % [1]. Вследствие этого в более чем 48% случаев режущий инструмент эксплуатируется на нерациональных режимах резания, при этом только 57% инструментов используются до достижения расчетного периода стойкости [2]. При этом вариабельность периода стойкости обусловливается вариабельностью параметров режущего инструмента, вариабельностью параметров обрабатываемых заготовок и спецификой конкретного машиностроительного производства, что должно быть учтено для обеспечения эффективной эксплуатации режущего инструмента [3].
591
