CC BY
122
УДК 004.9+ 621.431.75
3D ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ ДЕТАЛИ «ЗАВИХРИТЕЛЬ II КОНТУРА» ГТД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
© 2012 Р. А. Вдовин
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
В статье рассматриваются вопросы моделирования и совершенствования технологического процесса литья деталей ГТД.
Быстрое прототипирование, технологический процесс, имитационное моделирование, аддитивные технологии, мастер-модель, компьютерное моделирование.
Надёжность и ресурс работы газотурбинного двигателя (ГТД) летательного аппарата в значительной степени зависит от качества изготовления деталей и сборки. Статистика показывает, что из-за несовершенства технологии производства преждевременный выход двигателя из строя составляет 30-40 %.
Одна из особенностей авиационного двигателестроения заключается в том, что большая часть деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов. Это напрямую связано с повышением трудоёмкости и себестоимости изделия. Кроме того, предъявляются высокие требования к точности и качеству поверхностей деталей, к точности сборки двигателя.
Решение всех вышеперечисленных задач осуществляется по следующим основным направлениям:
• поиск и внедрение в производство новых, прогрессивных методов обработки деталей и сборки;
• автоматизация производства, в первую очередь на трудоёмких и вредных для здоровья операциях;
• избавление от ручного труда как непроизводительного, трудоёмкого и не обеспечивающего постоянство параметров;
• автоматизация разработки конструкторско-технологической документации, позволяющая снизить сроки и затраты на разработку и внедрение в производство новых изделий.
Важную роль в совершенствовании технологического процесса изготовления играют
информационные и инновационные технологии:
• применение аддитивных технологий на этапе технологической подготовки производства;
• применение CAE-процессов, моделирующих процесс заливки - на этапе проектирования нового метода получения отливок;
• автоматизированное проектирование технологического процесса и технологического оснащения (CAD/CAM) - на этапе технологической подготовки производства.
Литейное производство - одно из старейших и в настоящее время основных способов получения металлических изделий и заготовок для различных отраслей промышленности. Изготовление деталей методом литья позволяет получать заготовки из различных сплавов, практически любой конфигурации, с любой структурой, макро- и микрогеометрией поверхности, массой от нескольких граммов до сотен тонн, с любыми другими эксплуатационными свойствами. При необходимости и экономической оправданности требуемые показатели достигаются без использования других технологических процессов (механической обработки, сварки, термообработки и др.).
В настоящее время для получения литых деталей используется несколько десятков технологических процессов и их вариантов, обладающих достаточно широкой универсальностью или пригодных для изготовления узкой номенклатуры определённых отливок. С увеличением числа различных методов и вариантов получения отливок всё острее
ощущается необходимость в более чёткой и детальной классификации методов по их основным общим признакам. Это позволит систематизировать изложение сущности разных методов, облегчить понимание заложенных в них принципов и создание новых эффективных способов литья.
Переход на цифровое описание изделий
- CAD и появившиеся вслед за CAD аддитивные технологии произвели настоящую революцию в литейном деле, что особенно рельефно проявилось именно в высокотехнологичных отраслях - авиационной и аэрокосмической области, атомной индустрии, медицине и приборостроении, т.е. в отраслях, где характерным является мелкосерийное, а зачастую штучное (в месяц, год) производство. Именно здесь уход от традиционных технологий, применение новых методов получения литейных синтез-форм и синтез-моделей за счёт технологий послойного синтеза дало возможность радикально сократить время на создание продукции.
В настоящее время на литейных заводах и в литейных цехах для снижения временных и финансовых затрат на подготовку производства широко используют компьютерные технологии:
• CAD-системы при проектировании, изготовлении и разработке технологии;
• компьютерное моделирование процесса отливки заготовок при проектировании технологических процессов литья.
Традиционно отработка литейной технологии для каждой сложной отливки во многом основывается на металлоёмком методе проб и ошибок, эмпирическом опыте работы технологов, которые должны обладать информацией об удачных и неудачных попытках получения отливок и оперировать ею, опираясь на интуицию и в редких случаях -на строгие алгоритмы. Специфика литейного производства такова, что среди всего многообразия контролируемых факторов фигурируют и состояние заливаемого металла, и способ изготовления формы, и её предварительный прогрев, и скорость подачи жидкого металла в форму, и конфигурация самой отливаемой детали и литниковой системы, и скорость отвода тепла при затвердевании. Адекватное решение тех или иных задач формирования отливки зачастую не может
быть получено аналитическим путём, а лишь численно, с использованием метода конечных элементов.
Компьютерное моделирование литейных процессов - это новый способ, который позволяет отработать технологию до изготовления дорогостоящей оснастки и без запуска опытной партии. Компьютерное моделирование позволяет определить нужное количество прибылей, место их установки, необходимые размеры, а также размеры всех элементов литниковой системы. Визуальный анализ результатов расчёта на экране монитора позволяет рассмотреть весь процесс отливки, включая заливку формы, кристаллизацию сплава и образование усадочных дефектов. Полученная информация позволяет произвести корректировку технологии для создания отливок наилучшего качества с наименьшими затратами.
Весь процесс моделирования занимает малую часть времени, которое необходимо для создания оснастки и изготовления пробной партии отливок. Это означает, что уже после изготовления первой партии потребуется минимум изменений в технологии, что существенно сократит количество отходов. Для заказчика это означает сокращение времени выполнения заказа, повышение качества первых партий, увеличение жизненного цикла отливок и, как следствие, уменьшение затрат. В конечном итоге происходит экономия материалов, энергоносителей, рабочего времени, бережётся оборудование и получается уникальная информация о технологическом процессе. Зачастую только компьютерное моделирование технологии позволяет «заглянуть» внутрь изделия, увидеть характер протекающих в нём процессов, понять причины возникновения дефектов.
Алгоритм методологии компьютерного моделирования представлен на рис. 1.
Отличительной особенностью данного алгоритма является разделение технологического процесса производства деталей на этап виртуального моделирования и этап непосредственного производства. Первый этап осуществляется итерационно, ему сопутствуют постоянные изменения и поправки технологического процесса. Этап непосредственного производства деталей осуществляет-
ся, когда на стадии виртуального моделирования будут получены требуемые результаты.
РгоСАБТ
Рис. 2. САБ-модель завихрителя II контура
Завихритель предназначен для впрыска и поджига горючего. Согласно имеющейся технологии и на основании конструкторской документации в программном продукте и^гарЫсв была смоделирована объёмная САГ)-модель детали с литниково-питающей системой (рис. 3).
Рис. 1. Алгоритм методологии компьютерного моделирования
Методика компьютерного моделирования легла в основу оценки эффективности предложенного экспериментального технологического процесса заливки детали “Завихритель II контура” (рис. 2), которая устанавливается в камере сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) в количестве 36 штук.
Затем смоделированная ЗБ-модель детали была интегрирована в САЕ-систему РгоСав! (рис. 4).
Рис. 3. ЗБ-модель заготовки с литниково-питающей системой
Рис. 4. САЕ-моделъ завихрителя II контура в программной среде РгоСаь1
РгоСав! предоставляет возможность моделирования заполнения формы, затвердевания и формирования микроструктуры. Расположение стояков и применение изолирующих или экзотермических подводов, их влияние на усадку может быть изучено на компьютере и визуализировано на экране для достижения оптимального качества отливки.
Программный комплекс РгоСав! позволяет формировать расчётную модель на основе соответствующих физических процессов в литейной технологии, а необходимые решатели подключаются в процессе решения.
Успех моделирования заполнения формы, затвердевания и формирования микроструктуры связан с оптимизацией системы литников и исключением областей возможной усадки. Размеры элементов литниковой
системы, их влияние на усадку могут быть визуализированы на экране для достижения требуемого качества отливки.
В САЕ-системе РгоСав! был проанализирован и полностью смоделирован существующий технологический процесс заливки заготовки; рассчитан коэффициент усадки, на который вносится поправка при реальном литье; определена эффективность стояка, прибылей и питателей; выявлены пустоты, усадочные раковины; проанализирована скорость остывания заливки (рис. 5).
В конце заливки полностью отсутствуют пустоты, однако имеются усадочные раковины в районе лопаток крыльчатки. Это в итоге приведёт к непроливам лопаток и, как следствие, к браку.
1 ІЧ'ІМІЧ Ш ІУП.Ш 11»Шц| Щ їм им на» ■ “
\1 - ІЇ /Г 1 —
|е
“ \ і: \
/
т —
РгоСАвТ РгоСАЭТ
Рис. 5. Визуализация и анализ полученных результатов (слева - процесс кристаллизации, справа - наличие усадочной пористости)
При заливке экспериментальной партии завихрителей были сделаны рентгенограммы, анализ которых показал точечную усадочную пористость (рис. 6). Полученный результат полностью соответствует результату, полученному на этапе виртуального моделирования, что свидетельствует об адекватности применяемого САЕ программного продукта.
Таким образом, для исключения образования усадочных раковин можно рекомендовать изменить вид литниково-питающей системы. Необходимо изменить проходное сечение заливной горловины, так как металл кристаллизуется, не успев заполнить всю форму и изменить условия заливки: температуру, скорость и время заливки.
Изложенные рекомендации были учтены и позволили скорректировать технологический процесс заливки завихрителя. В процессе оптимизации были учтены причины образования усадочных раковин и возможные варианты их устранения:
> замедленное охлаждение металла в месте соединения отливки с питателем и в узлах отливки - необходимо применять соответствующую конструкцию отливок (необходимые радиусы закругления, направленное
Рис. 6. Рентгенограммы завихрителя 11 контура
затвердевание, уменьшение узлов соединений);
> замедленное охлаждение из-за близкого расположения отливок друг к другу - необходимо собирать модельный комплект с достаточными расстояниями между моделями;
> взаимодействие металла с материалом формы - не допускать применения материалов неудовлетворительного качества и приметать для формы материалы, не вступающие во взаимодействие с жидким металлом;
> высокая температура металла при заливке - не допускать излишнего перегрева металла;
г попадание в металл пузырьков воздуха при заливке - обеспечивать поступление металла в полость формы плавной струёй, уменьшать высоту падения металла в форму, обеспечивать свободное удаление воздуха из полости формы;
выделение газов из формы во время заливки - производить прокаливание формы до полного выгорания остатков модельных материалов и потери газотворности формы; прокалённые формы, не залитые в течение нескольких суток, перед заливкой повторно прокаливать.
Изменение коснулось времени заливки (времени нахождения тигля в опрокинутом состоянии), которое было увеличено до 20 секунд, что существенным образом повлияло на скорость заливки и позволило равномерно пролить сложнопрофильную крыльчатку за-вихрителя обеих отливок. Рассмотренные корректировки проводились постепенно, пока не удалось добиться необходимого результата.
Анализ полученных результатов итерационного моделирования представлен на рис. 7, 8.
Т
Т
РгоСАЭТ
V
РгоСАЭТ
Рис. 7. Визуализация и анализ полученных результатов (слева - отсутствие усадочной пористости, справа - время заливки)
Рис. 8. Визуализация и анализ полученных результатов
Полученные расчёты показывают:
- при заливке выходит 100-процентная проливаемость детали;
- при данной заливке усадки и пористости металла не наблюдается;
- данная литниково-питающая система подходит для отливки конкретной модели детали - завихрителя II контура.
Компьютерный анализ литейных процессов на этапе виртуального проектирования технологии литья (до изготовления отливок)
позволил минимизировать возможные просчёты и ошибки, неизбежно возникающие в процессе разработки, снизил финансовые и временные затраты, повысил эффективность, конкурентоспособность, качество и надёжность разрабатываемой детали.
Работа выполнена при финансовой поддержке правительства Российской Федерации на основании Постановления Правительства РФ №218 от 09.04. 2010 г.
3D VIRTUAL SIMULATION AND CASTING PROCESS OPTIMIZATION OF PART GTE "SWIRLER OF II DUCT" WITH USING COMPUTER TECHNOLOGIES
©2012 R. A. Vdovin
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
Results of 3d virtual simulation and casting process optimization of part GTE.
Rapid prototyping, technological process, virtual modeling, additive fabrication, master model, computer design.
Информация об авторах
Вдовин Роман Алексеевич, инженер, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: виртуальное CAD/CAE компьютерное моделирование технологических процессов литья деталей аэрокосмической отрасли.
Vdovin Roman Alekseevich, engineer, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of Research: CAD/CAE computer modeling of process casting in aerospace.
