Применение компьютерно-интегрированного проектирования для нетехнологичных отливок шахтного оборудования

Шрифт:
118

https://doi.org/10.15407/pmach2019.03.018
Met. litʹe Ukr., 2019, Tom 310-311, №3-4, с.18-24

О.И. Пономаренко1, д-р техн. наук, проф., проф. кафедры литейного производства, e-mail: 21ponomarenko@gmail. com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3043-4497
О.П. Косенко2, специалист по разработке и внедрению технологических процессов, e-mail: olegkossenko@gmail.com
М.В. Швец1, преподаватель-стажер, e-mail: shvecjr@gmail.com
С.Д. Евтушенко1, студент
1 - Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина
2 - АО "Харьковский машиностроительный завод «Свет шахтера», Харьков, Украина

УДК 621.74

Аннотация:

В данной статье показана возможность применения компьютерно-интегрированного проектирования для получения нетехнологичных отливок высокого качества для шахтного оборудования. Использование CAD/CAE программ открывает новые возможности для инженеров-технологов и конструкторов, значительно сокращается время на разработку технологических процессов и изготовление оснастки. Это позволяет сэкономить расходы сплава за счет прогнозирования появления мест дислокации дефектов, уменьшить брак отливок, а также дает возможность проверки детали на различные виды прочностных нагрузок на ее виртуальной модели.

Нетехнологическая отливка «Направляющая» была представлена в 3D системе с помощью программ SolidWorks и LVMFlow. Отливка имеет вид перевернутого табурета с четырьмя ножками. Это обусловило появление в отливке большого количества тонких и толстых стенок, которые чередуются. В местах переходов были установлены галтели. Для ликвидации во внутренних углах отливки скопления газоусадочной пористости было предложено увеличить толщину ножек. Отливка имеет большую высоту. Чтобы выдержать гидростатический напор заливаемого металла, было предложено использовать песчано-смоляную смесь.

Для ликвидации горячих трещин в отливке, при кристаллизации в местах сопряжения крышки с ножками было принято решение установить специальные стяжки между ножками. Такое технологическое решение устранило появление трещин в отливке. Установка экзотермических прибылей позволила увеличить эффективность работы литниково-питающей системы за счет экзотермической реакции при контакте расплава с элементом и газовым давлением в прибыли; снизить брак по дефектам усадочного характера; уменьшить металлоемкость прибыли (до 40 %) и технологические припуски на механическую обработку прибыльных мест с 15–20 мм до 4–5 мм; дало возможность установки прибылей на любой поверхности без нарушения конфигурации отливки. Разработанный технологический процесс введен на одном из литейных предприятии Украины.

Ключевые слова:

направляющая, формовочная смесь, литейная форма, модельный комплект, LVMFlow, SolidWorks, компьютерно-интегрированное проектирование, газоусадочная пористость, трещина.

Литейные изделия составляют значительную до лю по массе и трудоемкости изготовления любо го вида продукции машиностроения. От качества отливок, их точности и экономичности в итоге - зависит и качество конечной продукции – двигателей, станков, автомобилей. Как показывает мировой опыт, совершенствование изделий машиностроения невозможно без существенного повышения сложности, качества, эксплуатационных свойств, точности и уменьшения толщины стенок литых заготовок. Сегодня в практике проектирования литых деталей, а также для решения задач по моделированию процессов кристаллизации применяется ряд специализированных программных пакетов трехмерного проектирования. Учитывая, что выбор исходных параметров для компьютерного моделирования осуществляется непосредственно конструктором или технологом на основе личного опыта, бывает проблематичным заранее с большой степенью вероятности определить правильность выбранных технических решений. Вопросы, связанные с формализацией процессов локализации внутренних дефектов литейного происхождения, должны обязательно решаться на этапе компьютерного моделирования процесса кристаллизации литой детали [1, 2]. Получение качественных отливок за счет использования новых методов и программных продуктов, таких как SolidWorks и LVMFlow являтся актуальной задачей литейного производства.

Целью исследования данной работы является применение компьютерно-интегрированного проектирования для получения нетехнологичных отливок высокого качества для шахтного оборудования, которое позволяет моделировать процесс заполнения формы расплавом и охлаждения отливки для обнаружения мест дислокации внутренних дефектов.

Подготовка производства изделия является наиболее важным этапом, во время которого определяется возможность его производства в условиях конкретного предприятия, здесь разрабатывается 3D–модель будущего изделия, производится моделирование, доводка технологии производства, выпускается технологическая документация изделия.

Одним из главных этапов изготовления изделия является способ изготовления отливки и оценка возможности изготовления на имеющемся оборудовании. Создание 3D-модели изделия происходит с помощью CAD пакетов разного уровня, которые бесконфликтно работают в среде PDM системы. В дальнейшем 3D-модель является основой для различных конструкционных расчетов с эксплуатационными нагрузками. Затем на ее основе создается 3D-модель отливки.

Далее проводится моделирование технологического процесса производства литой детали с помощью CAЕ систем. После анализа полученных результатов моделирования вносятся изменения в 3D-модели детали и отливки. Причем, при внесении некоторых поправок в 3D-модели детали, таких как дислоцированные литейные дефекты, производятся повторные конструкционные расчеты с эксплуатационными нагрузками, с последующим внесением поправок в конструкцию детали.

Из вышеперечисленного следует, что технологическое проектирование обеспечивает постоянное и полное взаимодействие технических подразделений,
ответственных за выпуск технической документации для изделия. Такой подход к проектированию позволяет одновременно связывать такие параметры, как оптимальная конструкция детали, технологичность ее изготовления, а также закладывать эти параметры на этапе подготовки производства, сокращая при этом время на их проектирование.

Отливка «Направляющая» является стальной отливкой (рис. 1). Габариты 420х470х664 мм. Чистый вес заготовки составляет 361 кг. Изготавливается из стали 35ХГСЛ ГОСТ 977-88.

 

Рис. 1 Модель детали «Направляющая» с припусками

 

Отливка «Направляющая» должна выполняться по следующим техническим условиям:

1. Отливка II группы ГОСТ 977-88.
2. Точность отливки 12-0-0-12 по ГОСТ 2009-75.
3. Формовочные наклоны по ГОСТ 3212-80, тип I, II.
4. Неуказанные литейные радиусы 10–15 мм.
5. Остатки дополнений, технологические стяжки, остатки литниковой системы удалить Rz80 мкм.

Отливка имеет большую высоту, что требует специальных составов формовочных и стержневых смесей, чтобы выдержать гидростатический напор заливаемого металла. Было предложено использовать песчано-смоляную смесь.

Формовочная смесь готовится в смесителе "AMDR8" фирмы "OMEGA". Состав смесей приведен в табл. 1.

Газообразующая способность, см3/г – не более 10.

Газопроницаемость смеси, ед. – не менее 200.

Осыпаемость, % – не более 0,5.

С понижением температуры окружающей среды необходимо увеличивать содержание катализатора [3].

 

Отливка имеет вид перевернутого табурета с четырьмя ножками. Это обуславливает появление в отливке большого количества тонких и толстых стенок, которые чередуются. В местах переходов были установлены галтели.

Однако при первичном проливании во внутренних углах отливки наблюдалось скопление газоусадочной пористости. Чтобы исключить ее появление, было предложено увеличить толщину ножек.

Кроме того, во время кристаллизации в местах сопряжения крышки с ножками может возникнуть значительное напряжение, которое может привести к появлению горячих трещин в отливке. Чтобы этого не происходило, было принято решение установить специальные стяжки между ножками. Такое технологическое решение устранило появление трещин в отливке, однако вызвало потребность в усложнении конструкции стержневого ящика.

Проектирование начинается с выбора места разъема модели и формы (рис. 2), было решено ответственную часть отливки «Направляющая» расположить в нижней полуформе. При данном размещении отливки используется минимальное количество литейных стержней и проходит равномерно направленная кристаллизация, что обеспечивает снижение брака через отсутствие усадочных раковин, пористости и недоливов [4].

 

Рис. 2. Разъем отливки «Направляющая»

 

Класс точности размеров и ряд припусков на механическую обработку был выбран по ГОСТ 2009-75. Класс точности – 12, ряд припусков – 3.

Для определения припусков на механическую обработку использовали ГОСТ 2009-75. Однако для плавного протекания кристаллизации и уменьшения внутренней усадки, припуски были увеличены в два раза, так как при компьютерном моделировании было обнаружено, что такое действие способствует качественному изготовлению отливки [5]. Результат компьютерного моделирования по расчету припуска на механическую обработку приведен на рис. 3.

 

Рис. 3. Компьютерное моделирование припуска на механическую обработку: а – припуск увеличен в 2 раза; б – припуск по ГОСТ 2009-75

 

Допуск габаритных размеров отливки – 8 мм по ГОСТ 2009-75.

Точность изготовления отливок во многом определяется точностью установки стержней в форму и их фиксацией при сборке. Точность установки стержня обеспечивается конфигурацией его знаков, их размерами, которые назначают по ГОСТ 3606-80 с учетом размеров стержня, способа формирования и его положения в форме [5].

Размеры стержня: длина – 512 мм, ширина – 418 мм, высота – 670 мм. Высота стержневого знака – 50 мм. Формовочный уклон знака составляет 5 мм кругом. Зазор стержневого знака – 1 мм. Для изготовления стержней для отливки «Направляющая» применяют разъемный стержневой ящик.

Учитывая тип производства, все модельное оснащение для получения отливки «Направляющая» изготавливаем деревянным. Деревянные модельные комплекты, в отличие от металлических, более дешевые, простые в изготовлении и использовании, легкие. Модели отливки и прибыли выполнены полыми и снабжены ребрами жесткости, с целью придания им большей жесткости. При определении размеров деревянной модели учитываем суммарную усадку сплава модели и сплава отливки. В данном случае усадка на модели равна 2 %. Кроме того, модель, кроме учета усадки, изготавливается с припуском на механическую обработку, а также с уклонами и зазорами для знаков стержней, галтелями. Формовочный уклон на формообразующих поверхностях модельных комплектов составляет 1° 13' [6].

После заливки формы отливка охлаждается и затвердевает. Полностью затверделая отливка должна некоторое время охлаждаться с формой, поскольку прочность металла при высоких температурах мала, и отливка может разрушаться при выбивании ее из формы. Кроме того, выбивка отливки при высокой температуре нежелательна, поскольку охлаждение ее на воздухе протекает неравномерно: тонкие частицы охлаждаются значительно быстрее массивных, что вызывает появление в отливках внутреннего напряжения, искажения отливок и даже трещины [7].

Продолжительность охлаждения отливки в форме, согласно справочнику Могилева «Зависимость продолжительности охлаждения отливки из стали до выбивки из формы», составляет 7 часов [8].

Для снижения литейного напряжения, стабилизации размеров, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, повышения механических свойств, износостойкости отливок, необходимо провести термическую обработку.

Нетехнологическая отливка «Направляющая» была представлена в 3D системе с помощью программ SolidWorks и LVMFlow.

Данная отливка моделировалась в программе SolidWorks методом твердотельного моделирования. В процессе работы рассмотрен метод вырезания конструктивных элементов из большого болвана, процесс создания 3D-модели отливки показан на рис. 4. Модель выполнена в 18 шагов.

 

Рис. 4. Проектирование 3D-модели

 

Также для симуляции процесса кристаллизации были созданы модели экзотермических вставок (рис. 5). Технология изготовления отливки с использованием экзотермических вставок позволяет значительно уменьшить трудоемкость и себестоимость изготовления отливки, по сравнению с похожими отливками, которые изготавливались для шахтного оборудования.

 

Рис. 5. 3D-модель экзотермических вставок для отливки

 

После файлы моделей экзотермических вставок для проектируемой отливки были сохранены и добавлены в сборку к модели отливки (рис. 6).

 

Рис. 6. Модель в сборе

 

После выполнения последних операций полученная сборка была сохранена в формате STL, поскольку симуляция кристаллизации выполнялась в программном пакете LVMFlow.

Было выбрано несколько типов экзотермических вставок, эффект получился разный.

Как видно на рис. 7 (а) – заданных экзотермических вставок OBG7 не хватает для того, чтобы запитать всю отливку. В теле заготовки появляются усадочные
раковины, что является не допустимым. В технологии с такими же экзотермическими вставками, но большей высоты OBG7/300 усадка отсутствует (рис. 7, б). При использовании вставок OBG7/300 отливка вышла высокого качества, на ней нет ни одного дефекта и технологию можно внедрять в производство.

 

Рис. 7. Результаты проведенного расчета усадочных дефектов: а – OBG7; б – OBG7/300

 

С применением компьютерных методов моделирования отверждения отливки, был разработан технологический процесс изготовления отливки «Направляющая» из стали 35ХГСЛ. Благодаря этим методам удалось скорректировать полученную технологию и получить удовлетворительные результаты симуляции. В данной технологии мы можем наблюдать, что металл кристаллизируется постепенно без обрывов жидких фаз, которые влекут за собой дефекты усадочного характера, можно с уверенностью сказать, что отливка питается удовлетворительно, и при реальном изготовлении отливки не будет наблюдаться дефектов усадочного характера.

Выводы

1. Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения. Удельный вес литых деталей достигает: в современных автомобилях – 25 %, в асинхронных двигателях – 60 %, в тракторах – 58 %. К качеству отливок с каждым годом предъявляют все более высокие требования. При этом необходимо снижать трудоемкость их изготовления, повышать производительность агрегатов и улучшать условия труда в литейных цехах.

2. Одним из возможных путей решения задачи повышения качества отливок является использование математических или компьютерно-интегрированных методов моделирования процессов, многочисленных методов расчета.

Использование CAD/CAE программ открывает новые возможности для инженеров-технологов и конструкторов, значительно сокращается время на разработку технологических процессов и изготовление оснастки. Это позволило сэкономить расходы сплава за счет прогнозирования появления мест дислокации дефектов, уменьшить брак отливок, а также дало возможность проверки детали на различные виды прочностных нагрузок на ее виртуальной модели.

3. Нетехнологическая отливка «Направляющая» была представлена в 3D системе с помощью программ SolidWorks и LVMFlow. Отливка имеет вид перевернутого табурета с четырьмя ножками. Это обусловило появление в отливке большого количества тонких и толстых стенок, которые чередуются. В местах переходов были установлены галтели. Для ликвидации во внутренних углах отливки скопления газоусадочной пористости было предложено увеличить толщину ножек.

4. Отливка имеет большую высоту. Чтобы выдержать гидростатический напор заливаемого металла, было предложено использовать песчано-смоляную смесь.

5. Для ликвидации горячих трещин в отливке, при кристаллизации в местах сопряжения крышки с ножками было принято решение установить специальные стяжки между ножками. Такое технологическое решение устранило появление трещин в отливке.

6. Для технологии выбираем две экзотермические вставки моделей OBG7 или OBG7/300 (овальные открытого типа) фирмы «Cukurova Kimya Industrisi», предварительно определив в программе LVMFlow, которая из них не допустит образования усадки. Это позволило увеличить эффективность работы питательных прибылей за счет экзотермической реакции при контакте расплава с элементом и газовым давлением в прибыли; снизить брак по дефектам усадочного характера; уменьшить металлоемкость прибыли (до 40 %) и технологические припуски на механическую обработку прибыльных мест с 15–20 мм до 4–5 мм; дало возможность установки прибылей на
любой поверхности без нарушения конфигурации отливки.

7. Разработанный технологический процесс введен на одном из литейных предприятий Украины.

8. Данные проведенных исследований используются при преподавании курса лекций по дисциплине «CAD/CAE в литейном производстве».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Алехин В.И., Акимов О.В., Марченко П.А. Компьютерное моделирование процессов при производстве литых деталей двигателя. Литейное производство. 2010. № 9. С. 31–33.
  2. Алехин В.И., Белогуб А.В., Марченко А.П., Акимов О.В. Компьютерно-интегрированное моделирование литейных процессов в автомобильных поршнях на основе конструкторско-технологической методики проектирования деталей ДВС. Двигатели внутреннего сгорания. 2009. № 2. С. 101–104.
  3. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1992. 223 с.
  4. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технологии литейного производства. М.: Машиностроение, 1974. 472 с.
  5. Кулаков Б.А. и др. Технология изготовления литейных форм: учеб. пособие к лабораторным и практическим занятиям. Челябинск: ЮУрГУ, 1998. 96 с.
  6. Власов А.Ф., Васильев П.В. Справочник конструктора модельной оснастки. М.: Машиностроение, 1980. 125 с.
  7. Василевский П.Ф. Технология стального литья. М.: Машиностроение, 1974. 408 с.
  8. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. 272 с.