CC BY
19
УДК 621.74
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Батышев Константин Александрович, д.т.н., профессор (e-mail: konstbat63@mail.ru) Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия Кателин Валентин Александрович, инженер АО «НПЦ газотурбостроения «Салют», г. Москва, Россия (e-mail: konstbat63@mail.ru) Семенов Константин Геннадьевич, к.т.н., доцент, (e-mail: semenovkg@bmstu.ru) Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г.Москва, Россия Панкратов Сергей Николаевич, ст. преподаватель e-mail: pankratov-@mail.ru) Московский политехнический университет, г.Москва, Россия Колосков Сергей Владимирович, к.т.н., доцент, (e-mail: kolservlad@mail.ru) Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г.Москва, Россия Васияров Андрей Васильевич, инженер (e-mail: konstbat63@mail.ru) ОО «Газпром-Добыча-Надым», г.Надым, Россия
использование современных компьютерных программ при производстве отливок ответственного назначения является непременным условием получения высококачественных деталей. В работе представлены результаты использования программ NX Unigraphics, ProCAST и Полигон для получения бездефектных газотурбинных лопаток. Представлены современные методы контроля качества ответственных отливок.
Ключевые слова: проектирование, компьютерные программы, модели, измерительные комплексы, методы контроля, распределение температур, литниковая система, отливки.
В современном производстве при проектировании технологических процессов литья из никелевых сплавов применяют системы автоматизированного моделирования [1,2,3] литейных процессов (САМ ЛП), пакеты прикладных программ (ППП) расчетов литниково-питающих систем (ЛПС) и компоновки на них блоков лопаток, а также интегрированные системы автоматизированного проектирования литейной технологии (ИСАПР ЛТ).
Для моделирования литейного процесса заливки и затвердевания блока рабочих лопаток ТНД использовались программы NX Unigraphics, ProCAST и Полигон, построение «сетки» проводилось в NX Unigraphics а само моделирование процесса - в программах ProCast и Полигон соответственно.
Программа NX широко используется в машиностроении, особенно в отраслях, выпускающих изделия с высокой плотностью компоновки и большим числом деталей (энергомашиностроение, газотурбинные двигатели, транспортное машиностроение и т. п.) и/или изготавливающих изделия со сложными формами (авиационная, автомобильная отрасли и т. п.). В частности, по состоянию на 2016 год, эту систему используют такие крупные компании, как ММПП «Салют», «ОКБ им. Сухого», «МВЗ им. Миля», Daimler, Chrysler, Boeing], NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), ОАО «КАМАЗ», «ГКНПЦ им. Хруничева», «Авиадвигатель», ГП «Антонов» и др. Внедряется эта программа на ОАО "Метровагонмаш".
Также программа NX используется компаниями, производящими товары народного потребления, медицинское оборудование, электронику. Программа NX позволяет выполнить моделирование деталей и сборок изделия, провести анализ пересечений и расчет массы, подготовить 2D-документацию — чертежи или 3D-документацию с использованием PMI (размеры и аннотации наносятся на 3D-модель).
Программа ProCAST - это профессиональное решение для компьютерного моделирования всех литейных процессов, встречающихся как на отечественных, так и на зарубежных производственных площадках. Система базируется на методе конечных элементов, что обеспечивает высокую точность описания геометрии отливки и формы расчетной модели, учет большинства процессов теплового, кристаллизационного, металлургического, напряжено-деформированного характера.
Программа СКМ ЛП «ПолигонСофт» (старое название - САМ ЛП «Полигон») была разработана в России. С помощью системы можно моделировать все традиционные способы литья сплавов.
Одно из несомненных преимуществ «ПолигонСофт» - создание моделей усадочной макро- и микропористости, которые позволяют прогнозировать образование дефектов в отливках ответственного назначения (рабочие и сопловые лопатки ГТД, моноколеса, крыльчатки насосов и т.п.). Долгое время эту модель можно было назвать самой передовой и точной в мире. И сегодня СКМ ЛП «ПолигонСофт» успешно конкурирует с лучшими мировыми СКМ ЛП, проигрывая им по функциональности, но не по точности прогноза усадочных дефектов.
ProCAST
1БП0.В
H7S-3 14Z0.G 1ЭБ6-И
11Э11.3
I IZLjG- Б
11201 -Э
1Й17.П
эез.г
47H.F 873-0 813. J
7Б4-1
703.В
ILMPEHAIURE a I LP = 1 TIME = !Л 11 HID? s, TIME STEP = Ь.11ШИ1№Н]|][] s
Рисунок 1 - Распределение температур по программе ProCAST
При моделировании литейного процесса отливки «Лопатка» учитывались следующие исходные данные:
• толщина керамической оболочки - 8 мм;
• прокалка перед заливкой - в камерной электропечи (1050-1055оС);
• заливка в плавильно-заливочной установке УППФ; температура муфеля - (1070±5) °С;
время перемещения формы из прокалочной печи под заливку - 30
сек;
время выдержки формы в муфеле в вакууме до заливки - 7 мин; температура заливки металла в форму - (1530±5) °С; выдержка в муфеле после заливки - не менее 5 мин; выдержка в термостате с температурой - (900±50) °С - не менее 1 час.
Результаты моделирования отливок в системах РгоСАБТ и Полигон (рис. 1 и 2) показывают, что температуры в отливке распределены достаточно равномерно, что уменьшает вероятность образования дефектов в лопатках. Быстрее всех застывает самая тонкая часть отливки - выходная кромка лопатки, далее затвердевание протекает по всему профилю пера лопатки и переходит в замок лопатки, после чего затвердевают более массивные части литниковой системы и питатели. В последнюю очередь застывает литниковая чаша. Тем самым реализуется рациональный процесс
направленного затвердевания от тонких участков к массивным. Можно заметить, что результаты моделирования в двух разных программах практически идентичны.
Рисунок 2 - Распределение температур по программе Полигон
Также, при производстве отливок ответственного назначения остро встают проблемы контроля геометрических параметров изделий [4,5].
Использование в этих целях измерительного комплекса «Форсаж», построенного на использовании оптического бесконтактного метода измерения, позволяет выявить разницу между видимой поверхностью реальной детали и ее математической моделью или другой аналогичной деталью, принятой за образец для сравнения [7]. Полученная в цифровом виде информация может быть использована для выполнения различных задач:
- контроль геометрических параметров детали (например, профиля пера лопаток компрессора, турбины по всей видимой поверхности, а не только в некоторых сечениях);
- выдача заключений о годности детали или оснастки;
- накопление статистических данных по обмерам партий деталей для принятия решений по оптимизации технологических процессов (например, при изготовлении керамических стержней, моделей лопаток);
- и ряда других.
Эффективность и качество работы турбины зависит от геометрии всего профиля пера, которая участвует в формировании газодинамического потока. Существующие методы и технологии контроля профиля пера, основанные на использовании ряда контрольных сечений, не позволяют в полной мере оценить качество формируемого лопатками потока, в то время как современные методы проектирования позволяют спроектировать фор-
му пера лопатки без задания каких-либо контрольных сечений. Измерительный комплекс «Форсаж» дает возможность оценить геометрию всего пера, без выделения сечений [6].
Способ измерения и ряд конструктивных решений комплекса защищены патентами РФ. Разработка основана на оптическом бесконтактном методе измерений, защищенным патентом на изобретение № 2148793 РФ, выданного в 2000 году.
Измерительный комплекс состоит из следующих элементов: видеопроектор мультимедийный, объект измерения, цифровая система ввода изображения (цифровая видеокамера), системный блок компьютера в специальной комплектации, компьютерный монитор, принтер, рабочее место оператора, стол для видеопроектора, подставка для регулировки видеопроектора, поворотный стол, приспособления для позиционирования детали на поворотном столе, объектив, штатив для фиксации видеокамеры, клавиатура, мышь с ковриком, юстировочные объекты, стабилизатор напряжения, UPS- блок бесперебойного питания, манипулятор дистанционный.
Программное обеспечение комплекса рассчитано на проведение измерений в двух основных режимах: получение измерений для одной детали и поточный режим для серий деталей. Внедрение установок с оптическим бесконтактным методом измерения в современном производстве приведет к удешевлению и унификации измерительной оснастки при повышении качества, скорости, информативности и наглядности измерений. В настоящее время на ФГУП ММПП «Салют» измерительный комплекс «Форсаж» внедряется как основное средство измерения при доводке профиля пера рабочих лопаток турбины в литейном цехе.
Данный измерительный комплекс обладает следующими преимуществами:
- высокая производительность (цикл обмера поверхности детали с одной стороны не более 20 секунд);
- огромное количество точек измерения (пикселов), фактически сплошь покрывающих измеряемую часть поверхности объекта;
- наглядность представления результатов измерения (на мониторе компьютера, бумажном носителе и непосредственно на поверхности объекта измерения в цветовой гамме отклонений);
- при выполнении измерений в серии однотипных деталей (например, рабочих лопаток турбины) оператором комплекса может быть рабочий (полировщик) без опыта общения с компьютером, так как запуск программы на измерение осуществляется дистанционным манипулятором, а загрузка данных соответствующего образца для сравнения или математической модели происходит автоматически, по штрих-коду;
- относительно низкая цена (стоимость покупных элементов комплекса составляет от 200...250 тыс. рублей; стоимость других элементов зависит от комплектации, которая определяется поставленной задачей);
- быстрая перенастройка комплекса на новые детали и типы деталей в пределах своего размерного и точностного классов (несколько секунд) без дополнительного изготовления оснастки либо при минимальном ее количестве;
- оперативность в развертывании и переносе комплекса, так как способ юстировки не требует жесткой пространственной привязки видеокамеры и проектора;
- эксплуатация комплекса не приводит к снижению точности измерения, благодаря реализации бесконтактного способа измерений и отсутствию движущихся частей, подверженных износу;
- возможность непосредственного встраивания в технологический процесс, определяемая открытостью программного обеспечения;
- при объединении нескольких измерительных комплексов в единую сеть возможно проследить весь цикл изготовления детали (например, от стержней и моделей до сдачи готовых лопаток турбины на сборку), а по результатам обработанной статистики отработать корректирующие мероприятия в технологическом процессе.
Вывод: использование современных компьютерных программ и измерительных комплексов позволяет получать отливки стабильно высокого качества, а также значительно сократить сроки внедрения новых технологических процессов в современное производство.
Список литературы
1. Проектирование и производство заготовок: Учебник / Батышев А.И., Батышев К. А., М.: Изд-во МГОУ, 2013 - 248 с.
2. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / Батышев А.И., Смолькин А.А., Батышев К.А., Безпалько В.И. и др. под ред. А.И. Батышева и А.А. Смолькина. - М.: ИНФРА-М, 2014. - 288 с.
3. Традиционные и перспективные технологические процессы в машиностроении. Учебник / Черепахин А.А., Кузнецов В.А., Исин Д.К., Батышев К.А и др. - Караганда: Изд-во КарГТУ, 2016. - 481 с.
4. Батышев К.А., Прохоров А.А., Семенов К.Г., Безпалько В.И. Анализ применения современных измерительных комплексов для получения качественных отливок // Современные материалы, техника и технологии, 2017, №1, С. 32 - 36.
5. Батышев К.А., Кателин В.А., Прохоров А.А., Зажигин В.В., Трофимов А.В. Современные измерительные комплексы для получения качественных отливок ответственного назначения / Труды 1Х международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», 13-17 ноября 2017 г., Москва, 2017, С. 346349.
6. Батышев К.А., Прохоров А.А. Использование измерительных комплексов для получения качественных отливок ответственного назначения / Материалы 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование и перспективные технологии в машиностроении, металлургии и их кадровое обеспечение», Чебоксары, 20-21 апреля 2017 г. Изд-во: ЧГУ. 2017. - С. 15-18.
7. Батышев К.А., Прохоров А.А. Измерительный комплекс «Форсаж» - как основа получения качественных отливок для двигателестроения / Труды всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития литейных технологий и оборудования в цифровую эпоху», 18 мая 2016 г., Москва, 2016, С. 362-367.
Batyshev Konstantin Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor (e-mail: konstbat63@mail.ru)
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia Katelin Valentin Alexandrovich, engineer
JSC "SPC of gas turbine construction" Salut ", Moscow, Russia (e-mail: konstbat63@mail.ru)
Semenov Konstantin Gennadievich, Cand.Tech.Sci., Associate Professor,
(e-mail: semenovkg@bmstu.ru)
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Pankratov Sergey Nikolaevich, art. Teacher
(e-mail: pankratov-@mail.ru)
Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia
Koloskov Sergey Vladimirovich, Cand.Tech.Sci., Associate Professor,
(e-mail: kolservlad@mail.ru)
Moscow State Technical University
Vasiyarov Andrey Vasilyevich, engineer
(e-mail: konstbat63@mail.ru)
NGO Gazprom-Dobycha-Nadym, Nadym, Russia
USE OF MODERN SYSTEMS OF MODELING AND CONTROL FOR MANUFACTURING CASES OF RESPONSIBLE PURPOSE
Abstract: The use of modern computer programs in the production of castings of responsible use is an indispensable condition for obtaining high-quality parts. The paper presents the results of using NX Unigraphics, ProCAST and Polygon programs to produce defect-free gas turbine blades. Modern methods of quality control of critical castings are presented.
Key words: Design, computer programs, models, measuring systems, control methods, temperature distribution, sprue system, castings.
