CC BY
7
DOI 10.36622^Ти.2022.18.6.018 УДК 621.74
ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЬНЫХ КОРПУСНЫХ ОТЛИВОК ПОСРЕДСТВОМ КОМПЬЮТЕРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Л.С. Печенкина, М.С. Фролов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: анализируя опыт использования САБ-программ на примере применения СКМ ЛП LVMFlow, стало возможно утверждать то, что они безусловно решают проблемы по анализу причин брака отливок и оптимизации технологических процессов, поэтому данная тема является актуальной. Объектом исследования стала «корпусная» деталь массой 37 кг из низколегированной хромомолибденовой стали, входящая в весьма распространенный ассортимент многих отраслей промышленности. Может использоваться в неблагоприятных условиях при обширном диапазоне давлений и температур. Благодаря данным параметрам свое широкое применение она нашла в нефтегазовой сфере. Её эксплуатируют в роли запорной арматуры в нефтепроводе при работе под большим давлением при взаимодействии с В02, что является неблагоприятными условиями для многих сталей. Существуют требования динамических знакопеременных нагрузок, параметрам которых наша деталь соответствует. Также предусмотрен ряд других требований соответствия по сопротивлению коррозии и герметичности. Вес корпуса с литниками составляет 168 кг. В данной детали наблюдается стабильный дефект - это усадочная пористость, которая обнаруживается при её изготовлении после механической обработки. Поэтому эта деталь была интересна для моделирования с помощью программного пакета LVMFlow. Научная новизна работы определяется оптимальным подбором критериев, влияющих на обеспечение плотной структуры в стальной отливке, подверженной большой усадке. Цель исследования - используя приложения САБ-программ SoHdworks и LVMFlow в условиях песчаных форм с производственными технологическими показателями, обеспечивающими эффективную выплавку совершенной отливки, спроектировать модельно-опочную оснастку и усовершенствовать технологию изготовления детали "Корпус" из стали. Сокращение периода изготовления оснастки и выбор наилучшего варианта производства отливки, без лишних плавок - это преимущество перехода на сквозную разработку технологии и оснастки производства корпуса при литье в песчаные формы. Рассмотрены некоторые понятия, влияющие на дефект «Усадочная пористость» при литье в песчаные формы, а именно: питание затвердевающей отливки, направленность затвердевания, теплоаккумулирующая склонность форм и стержней, подача расплава в отливку. При рассмотрении данных понятий произвели оценку и выявили степень влияния на величину усадки
Ключевые слова: отливка, оснастка модельная, затвердевание, компьютерное моделирование, смесь формовочная, дефект, усадка
Введение
Самый используемый метод литья - это литье в песчаные одноразовые формы, около 80% от общемирового числа отливок. Рассматриваемая номенклатура деталей, конструкция которых состоит из тонких и толстых стенок, характеризуется высоким присутствием усадочных дефектов, самые явные из них -это рыхлость и пористость. Для устранения литейных дефектов требуется расчет оценки факторов, влияющих на их образование. Чтобы не останавливать изготовление деталей, требуется незамедлительно обнаружить факторы формирования недочётов литья и применить нужные научно-технические достижения [1, 2].
Новейший метод модернизации технологического процесса изготовления отливок с
© Печенкина Л.С., Фролов М.С., 2022
высокими допусками качества построен на активном применении цифровой электроники и технологий, поэтому данная тема является актуальной [3].
Проанализировав практическое применение программ CAD и, в частности, СКМ LP LVMFlow, можно утверждать, что они успешно применяются для решения задач, связанных с анализом причин дефектов литья и оптимизацией технологических процессов [4,5].
В качестве объекта исследования была выбрана деталь «корпус» из низколегированной хромомолибденовой стали массой 37 кг, которая является достаточно распространенным ассортиментом во многих отраслях промышленности, таких как предназначенные для нефтегазовых установок и комплексов, часть нефтепровода. Такие детали характерны для использования в агрессивных средах, используются при взаимодействии с SO2 под большим давлением. Применяются в качестве запорной арматуры в нефтепроводе и соответ-
ствуют стандартам динамических знакопеременных нагрузок, в широком диапазоне температур, давлений и агрессивных сред. Данной детали необходимо обладать высокой степенью защиты от коррозии, а также удовлетворять условиям по герметичности. Масса корпуса с литниками 168 кг. При её изготовлении после механической обработки обнаруживаются дефекты в виде усадочной пористости. Выбранная предприятием технология изготовления, основанная на методе литья в разовые формы, не может произвести детали без изъяна. Поэтому эта деталь представляет интерес для моделирования с помощью пакета программ LVMFlow.
Научная новизна работы состоит в подборе критериев, влияющих на обеспечение оптимально плотной структуры в стальной отливке, подверженной высокой усадке.
Цель исследования - используя приложения CAD-программ Solidworks и LVMFlow в условиях песчаных форм с производственными технологическими показателями, обеспечивающими эффективную выплавку совершенной отливки, спроектировать модельно-опочную оснастку и усовершенствовать технологию изготовления детали "Корпус" из стали.
Методика проведения эксперимента
Для работы в СКМ LVMFlow поначалу строятся SD-модели детали со всевозможными конструкциями ЛПС, которые потом изменяются в нужное разрешение STL. Для построения SD-моделей используем программу 3D-моделирования SolidWorks 2014. Сперва нужно создать 3D-модель основной части отливки по эскизу. Требуемым движением создаем модуль эскиза и по размерам, которые у нас есть, создаем необходимую деталь, рис. 1. После подготовки данной модели переходим к формированию трехмерной модели макета, для чего используем функцию «повернутая бобышка», определяя сторону выдавливания и величину толщины. Таким образом построим трехмерную модель части отливки в центре.
Рис. 1. Трехмерная модель части отливки в центре
Далее по подобию создаем остальные части отливки. Отверстия и полости получим, воспользовавшись функцией «вытянутый вырез». Соответственно, изначально создаем макет, после в функции «вытянутый вырез» делаем выбор направления и длины выреза.
После данных манипуляций мы получили 3D модель отливки. Теперь необходимо смоделировать отливки с ЛПС, таким действием мы получим необходимые для исследования варианты. После построений получаем монолитное твердое тело, которое и требуется для реализации цели нашего исследования. Основное условие - монолитность тела, в противном случае результаты нашего исследования могут получиться недостоверными или вообще провалиться.
Ниже представлены различные конструкции отливок ЛПС, для всех экспериментов, которые будут проводиться. Набор 3D моделей приведен на рис. 2 - 4.
Рис. 2. Конструкция отливки по базовому варианту
Рис. 3. Конструкция отливки со смещенными прибылями
Рис. 4. 3D модель для двух отливок в форме Проведение исследования
Выбор технологии получения отливки состоит из таких этапов:
- загрузка трехмерной модели в LVMFlow, введение стержней и утеплителей, других элементов литейных форм;
- разбивка отливки на элементарные объемы, отметка сплава, материалов форм, установка температур;
- проведение моделирования.
Модуль «Просмотр» обеспечивает наглядность моделирования в виде снимков с экрана.
Для начала загрузим тела файла CAD в формате STL, это выходит в модуль 3DImport. На данном этапе не обращаем внимания на направленность отливки, она может быть ошибочной. Поправляем положение отливки на экране компьютера, оно должно совпасть с её расположением во время заливки, а направление Z должно совпасть с направлением силы тяжести. Требуется придерживаться размерности координат 45°. Во избежание смещения корпуса требуется зафиксировать его. Сейчас необходимо трансформировать приобретённую модель в формат FLT, необходимый для дальнейшей работы (рис. 5).
Рис. 5. Отливка в модуле «3DImport»
Сохранив промежуточный результат, возвращаемся в «Начальные установки» и определяем параметры моделирования. Выбрав величину сетки разбиения (рис. 6), проводим дальнейший расчет. Изменяя эту величину, можно наблюдать изменение числа всех ячеек и объема оперативной памяти, необходимой для реализации исследования.
Рис. 6. Задание размеров ячеек
Используем модуль «Затвердевание» для основного расчета при моделировании. Результаты исследования представляются в 3D, 2D - сечении, изометрии, в жидкой фазе, усадке, микропористости, температурных режимах.
Вначале проведем расчет для базового варианта технологии изготовления отливки, а затем по полученным результатам будем вести поиск оптимальных с точки зрения дефектооб-разования вариантов.
При моделировании процессов затвердевания отливок определялись последующие первоначальные требования: температура разливки жидкой стали составила 1580°С; в качестве формовочного материала бралась в работу ПСС смесь с жидким стеклом при 20°С, ячейка в 5 мм, время разливки стали - 12 с.
Итоги прогнозирования в соотнесении с основной технологией продемонстрированы на рис. 7 - 9.
В отливке наблюдаются закрытые усадочные раковины и микропористость.
Рассмотрим факторы, влияющие на создание дефектов.
Усадочный дефект в виде полости расположен сверху стержня (рис. 7), в подприбыль-ной части отливки. Как было сказано выше, деталь работает в контакте с S02 при повышенном давлении. Наличие дефекта приведет к малому сроку службы детали. Появление таких дефектов, как правило, происходит из-за нарушения питания жидким металлом при затвердевании термического узла отливки, в результате чего сплав затвердевает без компенсации усадки ТУТ
< )
Рис. 7. Распределение усадки в теле отливки
Данные о процессе затвердевания, полученные из изучения кривых охлаждения для различных точек, подтверждаются и результатами моделирования, продемонстрированными на рис. 8, на котором показаны последовательные периоды затвердевания отливки, демонстрирующие взаимозависимость числа жидкой фазы от времени, показывающие понятное понимание о механизме затвердевания сплава с момента заливки до полного отверждения. В первую очередь затвердевают литники, на второй минуте после заливки и на четвертой минуте - шлакоуловитель, на пятой минуте затвердевает центральная часть отливки между двумя термическими узлами, на десятой минуте видно, как в месте контакта меньшей прибыли и отливки жидкая фаза полностью переходит в твердую и перекрывает доступ жидкому сплаву из прибыли в отливку, вследствии формируется закрытая усадочная раковина. Данный дефект образовывается, вероятно, из-за вышеперечисленных причин.
Усадка является одним из условий образования микропористости. Произведем анализ микропористости с помощью критерия Нияма. На рис. 9 показано перераспределение микропористости в условиях производственной технологии. Значения критерия Нияма в конкретных областях соответствует 0,006. Для плотных стальных отливок величина 0,86 и более является нормой. Делая выводы, мы можем утверждать, что к образованию усадочной по-
ристости привело нарушение питания отливки жидким сплавом.
Подводя итог, установлено, что быстрое охлаждение сплава в прибыли является одним из условий образования усадочных дефектов в отливке, то есть нарушенный принцип направленной кристаллизации из-за несоблюдения питания отливки. Который из факторов играет первоочередную роль, нам позволит ответить дальнейшее исследование посредством СКМ LVMFlow.
В месте контакта меньшей прибыли и отливки жидкий металл полностью переходит в твердую фазу и перекрывает питание отливки жидким металлом из прибыли, вследствие чего образуется замкнутая усадочная раковина. Это и есть вероятная причина образования данного дефекта.
Теплоаккумулирующая способность - это способность материала удерживать тепло, которая зависит от удельной теплоемкости материала, его плотности и теплопроводности.
Теплоаккумуляция формы влияет на величину пористости в отливке. С увеличением теплоаккумуляции литейной формы величина грани микропористости снижается до определенных параметров, из-за этого сталкиваемся с проблемой дальнейшего уменьшения данной длины грани. Чтобы уменьшить образование пористости, используем смеси с конкретной величиной теплоаккумулирующей способности. Но по итогу совсем убрать образование пористости не получится.
Пытались поднять температуру литейной формы для получения наиболее высокого результата отказа отливки от микропористости.
При повышении температуры формы пористость оказалась выше. Таким образом, заливка сплава в литейные формы сразу после сушки в горячем виде повышает дефекты по микропористости.
Разнообразность распределения микроусадочных раковин по её сечению становится больше из-за наибольшего ускорения отвода тепла от закристаллизовавшейся отливки и у них появляется свойство сосредоточения в осевой зоне. Добавка маршалита в смесь для изготовления форм, применение хромомагнезита и других теплопроводных смесей определенно понижает микропористость и ведет к разрастанию усадочной полости в центральной части.
В настоящее время большое внимание уделяется смесям, химически твердеющим.
При связывании ХТС берут в работу кар-бамидные, карбамиднофурановые, фенолфу-рановые смолы и катализатор, благодаря которым полученная смесь становится прочнее. В качестве катализаторов выступают органические или неорганические кислоты, такие как бензосульфокислота, ортофосфорная кислота или азотная кислота. С целью увеличения технологических свойств добавляется окись железа, древесная мука. ХТС обладает повышенной прочностью, газопроницаемостью, податливо-
стью и выбиваемостью. Жидкостекольная смесь ей будет уступать в теплоизоляции. Это также влияет на время затвердевания отливки, оно значительно увеличивается. В результате жидкий расплав в прибыли содержится дольше, позволив кристаллизоваться отливке, уменьшив величину усадки.
На рис. 10 показано распределение усадки в теле отливки в случае применения химически твердеющей смеси.
Рис. 8. Затвердевание отливки по этапам, с представлением времени затвердевания и процента жидкой фазы
Рис. 9. Распределение микропористости в отливке
ТТТ
Рис. 10. Распределение усадки в теле отливки при заменене смеси
Проведенный анализ результатов моделирования может быть представлен в графическом изображении, рис. 11, 12.
Рис. 11. Сравнение полученных результатов по величине усадки
Из полученных результатов, рис. 11, можно сделать вывод о незначительном уменьшении усадки в подприбыльной области до 33 % (по базовому варианту усадка достигла 35%) в случае использования ХТС.
Значение критерия Ь£ияыац
Рис. 12. Сравнение полученных результатов по величине микропористости
Из рис. 12 отчетливо видно небольшое увеличение микропористости при замене смеси на ХТС, это произошло из-за пониженной теплопроводности ХТС по сравнению со смесью жидкого стекла. Критерий Ниямы при использовании ХТС достигает 0,55, тогда как при первоначальном варианте его значение равнялось 0,65, а при использовании хромо-магнезитовой смеси микропористость полностью отсутствовала, но была большая усадка на расчетный узел (48%, согласно рис. 11).
Таким образом, изменяя состав смеси, можно влиять на изменение усадки и микропористости в небольших пределах, однако нельзя полностью избавиться от дефектов.
Заключение
Как видно из вышепредставленных результатов исследований, замена формовочных смесей при базовом варианте технологии не даёт возможности полностью избавиться от усадочных дефектов в отливке, возможно только снизить их концентрацию и лишь объем и расположение в отливке. Сделаем выводы, на основе наших полученных данных в процессе исследования:
1) Выявили положительный аспект при работе с методом сквозного проектирования технологии и оснастки для получения нашей детали в разовые формы - это сокращение времени производства модельной оснастки и подбора эффективного способа получения литой заготовки, без натурного эксперимента.
2) Выявили факторы, наиболее весомые для получения плотной структуры в литой детали «Корпус» - направленность затвердевания, созданная конструкцией прибылей, теп-лоаккумулирующая способность литейной формы, подвод сплава.
3) Анализ заводского и проектируемого вариантов показал, что время всех стадий технологического цикла, а главное, подбора оптимального технологического процесса уменьшилось.
4) Снижение трудоемкости труда.
В результате, основываясь на изложенном выше, для получения бездефектной отливки «Корпус» в процессе ее изготовления литьем в песчаные формы следует пользоваться следующими рекомендациями:
- марка сплава - 35ХМЛ;
- температура заливки металла - 1580 °С;
- высота заливки расплава - 60 мм;
- время заливки формы - 16 с;
- расположение отливки в форме - горизонтальное;
- материал формы - облицовочная хро-момагнезитовая смесь;
- начальная температура формы - 20 °С;
- материал стержня - холоднотвердеющая смесь;
- применение измененного вида прибылей.
Литература
1. Печенкина Л.С. Моделирование процесса формирования усадочных дефектов в отливках// Информационные системы и технологии: достижения и перспективы: тр. междунар. науч.-техн. конф. Азербайджан: Сумгаитский государственный университет, 2020. С. 103105.
2. The effectiveness of the use of information technol-ogies/ O. Popova, L. Pechenkina, A. Pechenkin, M. Popova, V. Petrenko, A. Demidov // IOP CONF. SER. Mater Science. Kazan, Russia, 2020. р. 012201
3. Веретенник A.A., Печенкина Л.С. Aнализ условий получения отливки «Подкладка с упором» в разовые песчаные формы с помощью компьютерного моделирования // Научная опора Воронежской области: сб. тр. победителей конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития пауки и технологий. Воронеж: ФГБОУ ВО ВГТУ, 2017. С. 14-1б.
4. Щетинин A^., Печенкина Л.С., Сушко Т.И. Исследование процесса охлаждения чугунных отливок в форме // Вестник Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. 2004. Вып. 7.4. С. 50-53
5. Прокопенко K.A., Печенкина Л.С. Моделирование затвердевания корпусных отливок// AK1-2020: тр. междунар. науч.-техн. копф. Воронеж: ООО Фирма «Элист», 2020. С. 148-149.
Поступила 29.10.2022; принята к публикации 16.12.2022 Информация об авторах
Печенкина Лариса Степановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: pls-7@mail.ru
Фролов Михаил Сергеевич - бакалавр, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: mikhail_fr2001@mail.ru
SELECTION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR OBTAINING HIGH-QUALITY STEEL BODY CASTINGS BY COMPUTER MODELING
L.S. Pechenkina, M.S. Frolov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: analyzing the experience of using CAD programs on the example of using SKM LP LVMFlow, it became possible to assert that they certainly solve problems in analyzing the causes of casting defects and optimizing technological processes, therefore this topic is relevant.
The object of the study was a "housing" part weighing 37 kg made of low-alloy chromium-molybdenum steel, which is included in a very common assortment of many industries. It can be used in harsh environments over a wide range of pressures and temperatures. Thanks to these parameters, it has found its wide application in the oil and gas industry. It is used as a shut-off valve in an oil pipeline when operating under high pressure when interacting with SO2, which is an unfavorable condition for many steels. There are requirements for dynamic alternating loads, the parameters of which our part corresponds to. A number of other compliance requirements for corrosion resistance and tightness are also provided. The weight of the body with sprues is 168 kg. In this part, a stable defect is observed - this is shrinkage porosity, which is detected during its manufacture as a result of machining. Therefore, this detail was of interest for modeling using the LVMFlow software package.
The scientific novelty of the work is determined by the optimal selection of criteria that affect the provision of a dense structure in a steel casting subject to high shrinkage.
The purpose of the study is to use the applications of Solidworks and LVMFlow CAD programs in sand mold conditions with production technological indicators that ensure the efficient melting of a perfect casting, to design model-flask equipment and improve the manufacturing technology of the "Body" part from steel.
Shortening the tooling manufacturing period and choosing the best casting production option, without unnecessary melting, is the advantage of switching to end-to-end development of technology and tooling for the production of the casing when casting into sand molds. We considered some concepts affecting the defect "Shrinkage porosity" when casting into sand molds, namely: the power of the solidifying casting, the direction of solidification, the heat-accumulating tendency of the molds and rods, the supply of melt into the casting. When considering these concepts, we made an assessment and the degree of influence on the amount of shrinkage was revealed.
Key words: casting, model tooling, solidification, computer modeling, molding mixture, defect, shrinkage.
References
1. Pechenkina L.S. "Modeling of the formation of shrinkage defects in castings", Proc. of the Int. Sci. and Tech. Conf.: Information Systems and Technologies: Achievements and Prospects (Informatsionnye sistemy i tekhnologii: dostizheniya i perspektivy), 2020, pp. 103-105.
2. Popova O., Pechenkina L., Pechenkin A., Popova M., Petrenko V., Demidov A. "The effectiveness of the use of information technologies", IOP CONF. SER. Mater Science, Kazan, Russia, 2020, p. 012201
3. Veretennik A.A., Pechenkina L.S. "Analysis of conditions for obtaining castings "Lining with emphasis" in one-time sand molds using computer modeling", Collection of sci. papers of the winners of the competition of research works of students and postgraduates of VSTU in priority areas of development of science and technology "Scientific Support of the Voronezh Region" (Nauchnaya opora Voronezhskoy oblasti: sb. tr. pobediteley konkursa nauchno-issledovatel'skikh rabot studentov i aspirantov VGTU po prioritetnym napravleniyam razvitiya nauki i tekhnologiy), 2017, pp. 14-16.
4. Shchetinin A.V., Pechenkina L.S., Sushko T.I. "Investigation of the cooling process of cast iron castings in the mold", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universitetata), 2004, no. 7.4, pp. 50-53
5. Prokopenko K.A, Pechenkina L.S. "Modeling of solidification of hull castings", Proc. of Int. Sci. and Tech. Conf.: AKT-2020, Voronezh, 2020, pp. 148-149.
Submitted 29.10.2022; revised 16.12.2022 Information about the authors
Larisa S. Pechenkina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: pls-7@mail.ru
Mikhail S. Frolov, BA, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: mi-khail_fr2001@mail.ru
