Помощь студентам в учебе
Совершенствование технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок с применением уточненной по свойствам материалов компьютерной модели
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 11
1.1 Проблематика технологий литья и обеспечения качества крупногабаритных
тонкостенных стальных отливок 11
1.2 Проблематика компьютерного моделирования крупногабаритных отливок и
технологий литья в песчаные формы 19
1.3 Проблематика баз данных материалов в САПР литейной оснастки и технологии
изготовления литых заготовок 25
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2.1 Обоснование выбора САПР литейной технологии 1Л'"П;1о' 31
2.2 Свойства литейной стали для изготовления крупногабаритных тонкостенных
отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная» 33
Глава 3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД КОРРЕКТИРОВКИ БАЗЫ
ДАННЫХ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 42
3.1 Характеристики формовочных материалов, применяемых в литейном производстве
УВЗ 42
3.2 Экспериментальная база для корректировки теплофизических свойств
формовочных материалов 50
3.2.1 Эксперимент по определению теплофизических свойств формовочной смеси
для цилиндрической тестовой отливки 51
3.2.2 Эксперимент по уточнению теплофизических свойств материала формы для
крупногабаритной отливки 53
3.3 Расчетная часть метода 56
3.3.1 Разработка математического и программного обеспечения расчетной части метода САПР литейной оснастки и технологии изготовления крупногабаритных
отливок в песчаных формах 56
3.3.2 Верификация расчетной части метода 60
3.3.3 Восстановление свойств материала формы с использованием
экспериментальных данных 62
3.4 Выводы по главе 3 65
Глава 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 66
4.1 Компьютерная модель технологии изготовления крупногабаритной тонкостенной
стальной отливки 66
4.2 Влияние технологических условий на образование дефектов в крупногабаритных тонкостенных стальных отливках 71
4.2.1 Влияние свойств материала формы на точность прогнозирования усадочных
дефектов 71
4.2.2 Влияние параметров заливки на время заполнения расплавом формы 73
4.2.3 Влияние литниковой системы на процесс заполнения формы расплавом 77
4.3 Выводы по главе 4 82
Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
«РАМА БОКОВАЯ» И «БАЛКА НАДРЕССОРНАЯ» 83
5.1 Технологические особенности исходного способа изготовления крупногабаритных вагонных отливок 83
5.2 Разработка и исследование новых конструкций стержней-вставок для литейных
прибылей 91
5.3 Совершенствование технологии изготовления отливки «Рама боковая» 100
5.3.1 Дефекты в отливке «Рама боковая» при изготовлении по исходной технологии 100
5.3.2 Выбор литниковой системы 105
5.3.3 Выбор прибылей 113
5.3.4 Выбор холодильников 118
5.3.5 Применение технологических ребер и устранение трещин 122
5.3.6 Совместная работа технолога и конструктора по изменению конструкции литой детали 123
5.3.7 Результаты исследований по совершенствованию технологии изготовления
отливки «Рама боковая» 124
5.4 Совершенствование технологии изготовления отливки «Балка надрессорная» ...126
5.4.1 Усадочные дефекты в исходной технологии изготовления отливки «Балка
надрессорная» 126
5.4.2 Влияние конструкционных размеров на усадочную пористость 129
5.4.3 Устранение усадочных дефектов в отливке «Балка надрессорная» 130
5.5 Выводы по главе 5 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
Приложение П1. Распечатка рабочего окна MatLab с верификацией расчетной части разработанного метода 150
Приложение П2. Интерфейсные окна разработанной программы 159
Приложение П3. Акт внедрения 160
Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 11
1.1 Проблематика технологий литья и обеспечения качества крупногабаритных
тонкостенных стальных отливок 11
1.2 Проблематика компьютерного моделирования крупногабаритных отливок и
технологий литья в песчаные формы 19
1.3 Проблематика баз данных материалов в САПР литейной оснастки и технологии
изготовления литых заготовок 25
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2.1 Обоснование выбора САПР литейной технологии 1Л'"П;1о' 31
2.2 Свойства литейной стали для изготовления крупногабаритных тонкостенных
отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная» 33
Глава 3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД КОРРЕКТИРОВКИ БАЗЫ
ДАННЫХ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 42
3.1 Характеристики формовочных материалов, применяемых в литейном производстве
УВЗ 42
3.2 Экспериментальная база для корректировки теплофизических свойств
формовочных материалов 50
3.2.1 Эксперимент по определению теплофизических свойств формовочной смеси
для цилиндрической тестовой отливки 51
3.2.2 Эксперимент по уточнению теплофизических свойств материала формы для
крупногабаритной отливки 53
3.3 Расчетная часть метода 56
3.3.1 Разработка математического и программного обеспечения расчетной части метода САПР литейной оснастки и технологии изготовления крупногабаритных
отливок в песчаных формах 56
3.3.2 Верификация расчетной части метода 60
3.3.3 Восстановление свойств материала формы с использованием
экспериментальных данных 62
3.4 Выводы по главе 3 65
Глава 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 66
4.1 Компьютерная модель технологии изготовления крупногабаритной тонкостенной
стальной отливки 66
4.2 Влияние технологических условий на образование дефектов в крупногабаритных тонкостенных стальных отливках 71
4.2.1 Влияние свойств материала формы на точность прогнозирования усадочных
дефектов 71
4.2.2 Влияние параметров заливки на время заполнения расплавом формы 73
4.2.3 Влияние литниковой системы на процесс заполнения формы расплавом 77
4.3 Выводы по главе 4 82
Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
«РАМА БОКОВАЯ» И «БАЛКА НАДРЕССОРНАЯ» 83
5.1 Технологические особенности исходного способа изготовления крупногабаритных вагонных отливок 83
5.2 Разработка и исследование новых конструкций стержней-вставок для литейных
прибылей 91
5.3 Совершенствование технологии изготовления отливки «Рама боковая» 100
5.3.1 Дефекты в отливке «Рама боковая» при изготовлении по исходной технологии 100
5.3.2 Выбор литниковой системы 105
5.3.3 Выбор прибылей 113
5.3.4 Выбор холодильников 118
5.3.5 Применение технологических ребер и устранение трещин 122
5.3.6 Совместная работа технолога и конструктора по изменению конструкции литой детали 123
5.3.7 Результаты исследований по совершенствованию технологии изготовления
отливки «Рама боковая» 124
5.4 Совершенствование технологии изготовления отливки «Балка надрессорная» ...126
5.4.1 Усадочные дефекты в исходной технологии изготовления отливки «Балка
надрессорная» 126
5.4.2 Влияние конструкционных размеров на усадочную пористость 129
5.4.3 Устранение усадочных дефектов в отливке «Балка надрессорная» 130
5.5 Выводы по главе 5 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
Приложение П1. Распечатка рабочего окна MatLab с верификацией расчетной части разработанного метода 150
Приложение П2. Интерфейсные окна разработанной программы 159
Приложение П3. Акт внедрения 160
Актуальность темы диссертационной работы определяется стратегической важностью литых деталей грузовых вагонов. В их числе следует особо выделить крупногабаритные тонкостенные детали тележек грузовых вагонов, а именно, - раму боковую и балку надрессорную, которые являются наиболее ответственными деталями грузового подвижного состава, и в то же время - наиболее сложными и трудоемкими с точки зрения реализации технологий литья и технико-экономической организации литейного производства.
Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года предусматривает приведение уровня качества и безопасности перевозок в соответствие с требованиями Российской Федерации и лучшими мировыми стандартами на основе технологического и технического развития отрасли. В связи с этим инициировано производство грузового подвижного состава нового поколения с улучшенными техническими характеристиками. В частности, планируется увеличение нагрузки на ось до 27-30 тонно-сил, снижение тары грузового вагона на 25 процентов, а также возможность эксплуатации вагонов на скорости до 140 км/час. Соответственно, повышаются требования к надежности литых деталей и качеству крупногабаритных тонкостенных стальных отливок, что актуализирует вопросы совершенствования технологий их изготовления.
В настоящее время обеспечение повышенных показателей по качеству отливок становится труднодостижимой задачей без применения средств компьютерного моделирования. Быстрое развитие специализированных систем компьютерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР) технологий литья позволяет ставить и решать совершенно новые задачи в области литейного производства, а также реализовывать новые технологические разработки, высокая сложность которых ограничивала ранее их экспериментальную проверку в производственных условиях из-за больших сопутствующих затрат.
Достоверность результатов компьютерного моделирования литейных технологий лимитируется неполными базами данных материалов, поставляемыми вместе с САПР. Так, универсальные базы не содержат необходимые данные о формовочных материалах, состав и теплофизические свойства которых для различных литейных производств индивидуальны. Поэтому возникает вопрос о корректировке баз данных для компьютерного моделирования литейных технологий с учетом производственных условий конкретного литейного цеха.
Таким образом, вопросы разработки метода корректировки теплофизических свойств формовочных материалов, направленные на повышение точности компьютерных моделей и достоверности прогнозирования литейных дефектов при проектировании и совершенствовании технологий изготовления вагонных стальных отливок, обуславливают актуальность темы диссертационного исследования в области литейного производства.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время большое внимание уделяется практическому применению программ для разработки технологий литья. Преобладающая часть исследовательских работ выполняется отечественными учеными с использованием зарубежного программного обеспечения. Вместе с тем, значительный вклад в теорию стального литья и математическое моделирование теплофизических процессов в литейной форме, включая процессы образования усадочных дефектов, внесли такие известные российские ученые, как Г. Ф. Баландин, Б. А. Баум, П. П. Берг, П. Н. Бидуля, П. Ф. Василевский, А. И. Вейник, Н. Г. Гиршович, А. А. Горшков, В. Г. Грузин, Л. Я. Козлов, В. В. Назаратин, Ю. А. Нехендзи, Н. И. Рубцов, Ю. А. Степанов, В. В. Ширяев и другие. Применение разработанных теоретических положений к компьютерному моделированию крупногабаритных тонкостенных стальных отливок со сложной пространственной геометрией в полной мере не реализовано.
Цель работы: разработка и проверка в заводских условиях расчетно-экспериментального метода корректировки теплофизических свойств формовочных смесей как входных данных для более точного моделирования литейных технологий с применением САПР, позволяющего совершенствовать технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок и повысить их качество, исключив образование недопустимых литейных дефектов. В ходе выполнения исследовательской работы основное внимание было уделено решению следующих задач:
1. Разработать расчетно-экспериментальный метод корректировки базы данных формовочных материалов для компьютерного моделирования технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок способом литья в песчаные формы.
2. С использованием разработанного метода настроить и верифицировать в программной среде отечественной САПР литейной технологии компьютерную модель процессов формирования усадочных дефектов в крупногабаритных тонкостенных стальных отливках, наполненную уточненными входными данными по свойствам материалов.
3. С применением уточненной компьютерной модели провести вычислительные эксперименты и изучить условия образования дефектов в крупногабаритных тонкостенных стальных отливках «Рама боковая» и «Балка надрессорная».
4. С учетом результатов компьютерного моделирования усовершенствовать и апробировать в условиях производства технологию изготовления отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная».
Область исследования диссертационной работы соответствует пункту 5 паспорта специальности («Разработка метода САПР литейной оснастки и технологии изготовления литых заготовок»), а также пункту 4 («Исследование литейных технологий для их обоснования и оптимизации»).
Научная новизна диссертационной работы определяется впервые полученными результатами исследований:
1. Разработан метод САПР литейной оснастки и технологии изготовления литых заготовок, который заключается в корректировке базы данных теплофизических свойств формовочных материалов для уточненного моделирования температурных полей при затвердевании крупногабаритной отливки в песчаной форме. Математическое обеспечение разработанного метода отличается использованием эффективного алгоритма многопараметрической оптимизации, применяемого в технологиях искусственного интеллекта для быстрого обучения нейронных сетей на больших базах данных. Экспериментальная часть разработанного метода отличается фиксацией температурных кривых при затвердевании крупногабаритной отливки в цеховых условиях. Разработанный метод реализован в виде автономного программного модуля.
2. С использованием разработанного метода определены зависимости теплофизических свойств формовочных смесей (теплопроводности, удельной теплоемкости) в температурном интервале 20-1600°С, которые дополняют базу данных материалов программы LVMFlow и уточняют компьютерную модель процессов затвердевания крупногабаритной тонкостенной отливки из стали 20ГЛ в песчаной форме в условиях серийного производства УВЗ. Определенные расчетно-экспериментальным методом температурные зависимости свойств отличаются тем, что включают неучтенные существующими математическими моделями эффекты неоднородного изменения структуры и состава формовочной смеси по объему массивной песчаной формы.
3. В вычислительных экспериментах с использованием уточненной компьютерной модели изучено влияние геометрии экзотермических стержней-вставок на температурное поле и выявлена оптимальная геометрия, которая повышает эффективность работы закрытых прибылей за счет предотвращения преждевременного образования литой корки и концентрации усадочных дефектов в прибыли. Вставки с оптимальной геометрией отличаются от применяемых ранее осесимметричных вставок наличием от трех до пяти граней в погружной части, формирующих неравномерное по градиенту температурное поле.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что на базе отечественной САПР литейной технологии ЬУМЕ1о,№ и разработанного метода корректировки входных данных по материалам литейной формы, уточняющих нелинейные коэффициенты уравнения теплопроводности, сформирована среда проектирования технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок из стали 20ГЛ способом литья в песчаные формы. Разработанный расчетно-экспериментальный метод носит общий характер и не имеет ограничений по типу литейных сплавов, материалов и технологий.
Практическая значимость работы заключается в том, что с использованием сформированной среды проектирования и результатов вычислительных экспериментов усовершенствованы технологии
изготовления отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная» способом литья в песчано-глинистую форму. Разработана конструкция экзотермических литейных стержней, защищенная патентами РФ на промышленный образец и патентами РФ на полезную модель; применение разработанных стержней в технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок из стали 20ГЛ повышает эффективность работы прибылей и снижает уровень усадочных дефектов в отливке. Внедрение усовершенствованных технологий в цехе крупного стального литья УВЗ (г. Нижний Тагил) привело к снижению брака по отливкам «Рама боковая» и «Балка надрессорная» на 12 % с экономическим эффектом 161.35 миллионов рублей, что подтверждается актом внедрения.
Методология и методы диссертационного исследования охватывают натурные и вычислительные эксперименты, которые включают математическое моделирование, программирование, компьютерную симуляцию с применением САПР литейной технологии ЬУМЕ1о’№; измерение температурных полей при затвердевании отливки термопарами в лабораторных и цеховых условиях; лабораторные испытания формовочных материалов на специально подготовленных образцах для определения теплофизических свойств.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод САПР литейной оснастки и технологии изготовления литых заготовок - расчетно-экспериментальный метод корректировки теплофизических характеристик формовочных смесей для компьютерного моделирования процессов затвердевания отливки в литейной форме.
2. Настроенная в программной среде LVMFlow и верифицированная в цеховых условиях УВЗ уточненная компьютерная модель процессов затвердевания крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в песчаной форме.
3. Результаты компьютерного моделирования процессов затвердевания крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в песчаной форме, показывающие влияние геометрических параметров и способов размещения литниково-питающей системы на формирование усадочных дефектов.
4. Разработанные и внедренные в литейном производстве УВЗ усовершенствованные технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная».
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов вычислительных экспериментов подтверждается выполнением верифицирующих натурных экспериментов. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, из них 3 статьи в изданиях, индексируемых в международных базах Scopus и Web of Science. В процессе выполнения диссертационной работы получено 9 патентов РФ; запатентованные компоненты технологической оснастки используются в условиях УВЗ при производстве крупногабаритных тонкостенных стальных отливок.
Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на российских и международных конференциях: VII международная научно-практическая конференция «ИТ-Бизнес-Металл», г. Москва, 2005; II международная научно-практическая конференция «Металлургия для машиностроения», г. Нижний Тагил, 2006; 4-ая Российская научно-техническая конференция «Компьютерный инженерный анализ», г. Челябинск, 2007; IY Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2009; XI Съезд литейщиков России, г. Екатеринбург, 2013; Научно-практическая конференция АО «НПК «Уралвагонзавод», г. Нижний Тагил, 2017; XII научно-промышленный форум «Техническое перевооружение машиностроительных предприятий России», г. Екатеринбург, 2017; Расширенное выездное заседание Секции литейщиков при Совете главных конструкторов Свердловской области, г. Асбест, 2018, The International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTME 2020), г. Севастополь, 2020.
Личный вклад автора. Автором лично проведены натурные эксперименты в цеховых условиях и симуляции технологий литья, созданы компьютерные модели технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок. Совместно с заводскими технологами усовершенствованы соответствующие технологии, что обеспечило повышение качества отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная», производимых в литейных цехах УВЗ. Совместно с разработчиками программного обеспечения LVMFlow (МКМ, г. Ижевск) разработаны осесимметричные тестовые отливки и схемы измерения температурных полей при их затвердевании. Совместно с руководителем диссертационной работы внедрено программное обеспечение LVMFlow в конструкторском бюро литейной оснастки УВЗ, разработана и верифицирована расчетная часть метода для корректировки теплофизических свойств формовочных материалов, написаны статьи по теме диссертационного исследования.
Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года предусматривает приведение уровня качества и безопасности перевозок в соответствие с требованиями Российской Федерации и лучшими мировыми стандартами на основе технологического и технического развития отрасли. В связи с этим инициировано производство грузового подвижного состава нового поколения с улучшенными техническими характеристиками. В частности, планируется увеличение нагрузки на ось до 27-30 тонно-сил, снижение тары грузового вагона на 25 процентов, а также возможность эксплуатации вагонов на скорости до 140 км/час. Соответственно, повышаются требования к надежности литых деталей и качеству крупногабаритных тонкостенных стальных отливок, что актуализирует вопросы совершенствования технологий их изготовления.
В настоящее время обеспечение повышенных показателей по качеству отливок становится труднодостижимой задачей без применения средств компьютерного моделирования. Быстрое развитие специализированных систем компьютерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР) технологий литья позволяет ставить и решать совершенно новые задачи в области литейного производства, а также реализовывать новые технологические разработки, высокая сложность которых ограничивала ранее их экспериментальную проверку в производственных условиях из-за больших сопутствующих затрат.
Достоверность результатов компьютерного моделирования литейных технологий лимитируется неполными базами данных материалов, поставляемыми вместе с САПР. Так, универсальные базы не содержат необходимые данные о формовочных материалах, состав и теплофизические свойства которых для различных литейных производств индивидуальны. Поэтому возникает вопрос о корректировке баз данных для компьютерного моделирования литейных технологий с учетом производственных условий конкретного литейного цеха.
Таким образом, вопросы разработки метода корректировки теплофизических свойств формовочных материалов, направленные на повышение точности компьютерных моделей и достоверности прогнозирования литейных дефектов при проектировании и совершенствовании технологий изготовления вагонных стальных отливок, обуславливают актуальность темы диссертационного исследования в области литейного производства.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время большое внимание уделяется практическому применению программ для разработки технологий литья. Преобладающая часть исследовательских работ выполняется отечественными учеными с использованием зарубежного программного обеспечения. Вместе с тем, значительный вклад в теорию стального литья и математическое моделирование теплофизических процессов в литейной форме, включая процессы образования усадочных дефектов, внесли такие известные российские ученые, как Г. Ф. Баландин, Б. А. Баум, П. П. Берг, П. Н. Бидуля, П. Ф. Василевский, А. И. Вейник, Н. Г. Гиршович, А. А. Горшков, В. Г. Грузин, Л. Я. Козлов, В. В. Назаратин, Ю. А. Нехендзи, Н. И. Рубцов, Ю. А. Степанов, В. В. Ширяев и другие. Применение разработанных теоретических положений к компьютерному моделированию крупногабаритных тонкостенных стальных отливок со сложной пространственной геометрией в полной мере не реализовано.
Цель работы: разработка и проверка в заводских условиях расчетно-экспериментального метода корректировки теплофизических свойств формовочных смесей как входных данных для более точного моделирования литейных технологий с применением САПР, позволяющего совершенствовать технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок и повысить их качество, исключив образование недопустимых литейных дефектов. В ходе выполнения исследовательской работы основное внимание было уделено решению следующих задач:
1. Разработать расчетно-экспериментальный метод корректировки базы данных формовочных материалов для компьютерного моделирования технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок способом литья в песчаные формы.
2. С использованием разработанного метода настроить и верифицировать в программной среде отечественной САПР литейной технологии компьютерную модель процессов формирования усадочных дефектов в крупногабаритных тонкостенных стальных отливках, наполненную уточненными входными данными по свойствам материалов.
3. С применением уточненной компьютерной модели провести вычислительные эксперименты и изучить условия образования дефектов в крупногабаритных тонкостенных стальных отливках «Рама боковая» и «Балка надрессорная».
4. С учетом результатов компьютерного моделирования усовершенствовать и апробировать в условиях производства технологию изготовления отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная».
Область исследования диссертационной работы соответствует пункту 5 паспорта специальности («Разработка метода САПР литейной оснастки и технологии изготовления литых заготовок»), а также пункту 4 («Исследование литейных технологий для их обоснования и оптимизации»).
Научная новизна диссертационной работы определяется впервые полученными результатами исследований:
1. Разработан метод САПР литейной оснастки и технологии изготовления литых заготовок, который заключается в корректировке базы данных теплофизических свойств формовочных материалов для уточненного моделирования температурных полей при затвердевании крупногабаритной отливки в песчаной форме. Математическое обеспечение разработанного метода отличается использованием эффективного алгоритма многопараметрической оптимизации, применяемого в технологиях искусственного интеллекта для быстрого обучения нейронных сетей на больших базах данных. Экспериментальная часть разработанного метода отличается фиксацией температурных кривых при затвердевании крупногабаритной отливки в цеховых условиях. Разработанный метод реализован в виде автономного программного модуля.
2. С использованием разработанного метода определены зависимости теплофизических свойств формовочных смесей (теплопроводности, удельной теплоемкости) в температурном интервале 20-1600°С, которые дополняют базу данных материалов программы LVMFlow и уточняют компьютерную модель процессов затвердевания крупногабаритной тонкостенной отливки из стали 20ГЛ в песчаной форме в условиях серийного производства УВЗ. Определенные расчетно-экспериментальным методом температурные зависимости свойств отличаются тем, что включают неучтенные существующими математическими моделями эффекты неоднородного изменения структуры и состава формовочной смеси по объему массивной песчаной формы.
3. В вычислительных экспериментах с использованием уточненной компьютерной модели изучено влияние геометрии экзотермических стержней-вставок на температурное поле и выявлена оптимальная геометрия, которая повышает эффективность работы закрытых прибылей за счет предотвращения преждевременного образования литой корки и концентрации усадочных дефектов в прибыли. Вставки с оптимальной геометрией отличаются от применяемых ранее осесимметричных вставок наличием от трех до пяти граней в погружной части, формирующих неравномерное по градиенту температурное поле.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что на базе отечественной САПР литейной технологии ЬУМЕ1о,№ и разработанного метода корректировки входных данных по материалам литейной формы, уточняющих нелинейные коэффициенты уравнения теплопроводности, сформирована среда проектирования технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок из стали 20ГЛ способом литья в песчаные формы. Разработанный расчетно-экспериментальный метод носит общий характер и не имеет ограничений по типу литейных сплавов, материалов и технологий.
Практическая значимость работы заключается в том, что с использованием сформированной среды проектирования и результатов вычислительных экспериментов усовершенствованы технологии
изготовления отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная» способом литья в песчано-глинистую форму. Разработана конструкция экзотермических литейных стержней, защищенная патентами РФ на промышленный образец и патентами РФ на полезную модель; применение разработанных стержней в технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок из стали 20ГЛ повышает эффективность работы прибылей и снижает уровень усадочных дефектов в отливке. Внедрение усовершенствованных технологий в цехе крупного стального литья УВЗ (г. Нижний Тагил) привело к снижению брака по отливкам «Рама боковая» и «Балка надрессорная» на 12 % с экономическим эффектом 161.35 миллионов рублей, что подтверждается актом внедрения.
Методология и методы диссертационного исследования охватывают натурные и вычислительные эксперименты, которые включают математическое моделирование, программирование, компьютерную симуляцию с применением САПР литейной технологии ЬУМЕ1о’№; измерение температурных полей при затвердевании отливки термопарами в лабораторных и цеховых условиях; лабораторные испытания формовочных материалов на специально подготовленных образцах для определения теплофизических свойств.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод САПР литейной оснастки и технологии изготовления литых заготовок - расчетно-экспериментальный метод корректировки теплофизических характеристик формовочных смесей для компьютерного моделирования процессов затвердевания отливки в литейной форме.
2. Настроенная в программной среде LVMFlow и верифицированная в цеховых условиях УВЗ уточненная компьютерная модель процессов затвердевания крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в песчаной форме.
3. Результаты компьютерного моделирования процессов затвердевания крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в песчаной форме, показывающие влияние геометрических параметров и способов размещения литниково-питающей системы на формирование усадочных дефектов.
4. Разработанные и внедренные в литейном производстве УВЗ усовершенствованные технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная».
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов вычислительных экспериментов подтверждается выполнением верифицирующих натурных экспериментов. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, из них 3 статьи в изданиях, индексируемых в международных базах Scopus и Web of Science. В процессе выполнения диссертационной работы получено 9 патентов РФ; запатентованные компоненты технологической оснастки используются в условиях УВЗ при производстве крупногабаритных тонкостенных стальных отливок.
Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на российских и международных конференциях: VII международная научно-практическая конференция «ИТ-Бизнес-Металл», г. Москва, 2005; II международная научно-практическая конференция «Металлургия для машиностроения», г. Нижний Тагил, 2006; 4-ая Российская научно-техническая конференция «Компьютерный инженерный анализ», г. Челябинск, 2007; IY Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2009; XI Съезд литейщиков России, г. Екатеринбург, 2013; Научно-практическая конференция АО «НПК «Уралвагонзавод», г. Нижний Тагил, 2017; XII научно-промышленный форум «Техническое перевооружение машиностроительных предприятий России», г. Екатеринбург, 2017; Расширенное выездное заседание Секции литейщиков при Совете главных конструкторов Свердловской области, г. Асбест, 2018, The International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTME 2020), г. Севастополь, 2020.
Личный вклад автора. Автором лично проведены натурные эксперименты в цеховых условиях и симуляции технологий литья, созданы компьютерные модели технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок. Совместно с заводскими технологами усовершенствованы соответствующие технологии, что обеспечило повышение качества отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная», производимых в литейных цехах УВЗ. Совместно с разработчиками программного обеспечения LVMFlow (МКМ, г. Ижевск) разработаны осесимметричные тестовые отливки и схемы измерения температурных полей при их затвердевании. Совместно с руководителем диссертационной работы внедрено программное обеспечение LVMFlow в конструкторском бюро литейной оснастки УВЗ, разработана и верифицирована расчетная часть метода для корректировки теплофизических свойств формовочных материалов, написаны статьи по теме диссертационного исследования.
Результаты выполненной диссертационной работы имеют большую практическую ценность для УВЗ, поскольку позволили повысить качество крупногабаритных тонкостенных отливок, изготавливаемых из стали 20ГЛ способом литья в песчаные формы. Уровень заводского брака за последние 5 лет по отливкам «Рама боковая» (модель 578) снизился с 25,6 % до 8,1 %, по отливкам «Балка надрессорная» (модель 100) - с 24,5 % до 5 %. Таким образом удовлетворены повышенные требования со стороны РЖД к сроку службы литых деталей тележек грузовых вагонов и снижению технологических дефектов в них. Быстрое и эффективное совершенствование технологии стало возможным благодаря компьютерному моделированию в САПР литейной технологии LVMFlow от российского разработчика (МКМ, г. Ижевск), при поддержке которого в рамках данной диссертационной работы выполнен большой объем работы, направленный на развитие конкурентоспособного отечественного программного обеспечения для литейного производства. Применение отечественного программного обеспечения оказалось критическим фактором технического перевооружения конструкторского бюро литейной оснастки УВЗ в условиях жестких санкций, наложенных на предприятие зарубежными поставщиками.
1. Разработан расчетно-экспериментальный метод для пополнения и уточнения теплофизических свойств формовочных материалов в базе данных отечественной САПР литейной технологии LVMFlow, который включает экспериментальную базу и расчетный алгоритм для обработки экспериментальных данных. Экспериментальная часть метода реализуется в условиях литейного производства УВЗ, что позволяет фиксировать свойства холодно-твердеющих и песчано-глинистых смесей в составе литейной формы или на тестовых образцах в технологически обоснованный период времени после их изготовления. Расчетная часть метода основана на алгоритме многопараметрической оптимизации и реализована в виде программного кода с интерфейсной оболочкой. Разработанный метод обеспечивает существенное уточнение результатов компьютерного моделирования технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в программной среде ЬУМР1о, что подтверждено сравнением результатов моделирования с наблюдаемыми усадочными дефектами в сечениях отливок после разрушающего контроля.
2. С использованием разработанного метода САПР сформирована база данных основных формовочных материалов, применяемых в литейном производстве УВЗ. Уточненные свойства материалов в базе данных программы 1УМ1;1о' способствуют повышению точности моделирования и проектирования технологий литья для всего спектра производимых предприятием отливок.
3. В программной среде ЬУМР1о разработана уточненная компьютерная модель технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок из стали 20ГЛ, для которой выбраны и проверены параметры расчетной сетки, граничные и начальные условия, а также теплофизические свойства литейной стали, материалов формы и стержней. Компьютерная модель с уточненными свойствами материалов, применяемых в литейном производстве УВЗ, проверена на тестовых, опытных и серийных отливках заводскими испытаниями способом механической порезки отливок. Показано, что уточненная компьютерная модель обеспечивает достоверное предсказание локализации усадочных дефектов в отливке при проведении вычислительных экспериментов.
4. Разработаны и внедрены в технологический процесс экзотермические стержни-вставки с геометрией погружной части в виде усеченной пирамиды. Показана высокая эффективность использования прибылей с разработанными вставками: время действия прибыли с экзотермической вставкой увеличивается до 25% по сравнению с аналогичной прибылью с экзотермическим стержнем вставкой с погружной частью в виде усеченного тела вращения.
5. По результатам проведения вычислительных экспериментов с уточненной компьютерной моделью процессов затвердевания отливки в песчаной форме, внесены изменения в оснастку для изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная». Усовершенствованные технологии обеспечили снижение брака по усадочным дефектам для отливок «Рама боковая» с 36% (2010 г.) до 3% (2020 г.), для отливок «Балка надрессорная» с 42% (2010г.) до 4% (2020 г.).
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования
Дальнейшую работу по тематике диссертации возможно продолжить в направлении изучения технологических трещин в отливках с применением методов компьютерного моделирования. Усадочная пористость может значительно сокращать начальный период образования трещин в условиях неоднородного охлаждения отливки. Поэтому результаты выполненной диссертационной работы в части постановки вычислительных экспериментов по анализу усадочных дефектов могут стать основой для выявления закономерностей формирования трещин и способов их устранения. В дополнение к теплофизическим свойствам материалов для изучения напряженно-деформированного состояния отливки в литейной форме требуются физико-механические свойства. Формирование таких свойств в температурном интервале около температуры солидус является нерешенной проблемой компьютерного моделирования литейных технологий.
В части развития методов САПР литейной оснастки и литейной технологии тему диссертационной работы можно развить в направлении создания подсистемы САПР, которая свяжет изменение свойств формовочных материалов с многофакторной вариацией структуры и характеристик составляющих компонентов. Такой подход требует длительной работы большой научной школы по развитию многих теоретических аспектов. Вместе с тем, следует отметить, что разработанный в данной диссертационной работе метод позволил в краткие сроки решить все основные проблемы качества крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в условиях УВЗ.
1. Разработан расчетно-экспериментальный метод для пополнения и уточнения теплофизических свойств формовочных материалов в базе данных отечественной САПР литейной технологии LVMFlow, который включает экспериментальную базу и расчетный алгоритм для обработки экспериментальных данных. Экспериментальная часть метода реализуется в условиях литейного производства УВЗ, что позволяет фиксировать свойства холодно-твердеющих и песчано-глинистых смесей в составе литейной формы или на тестовых образцах в технологически обоснованный период времени после их изготовления. Расчетная часть метода основана на алгоритме многопараметрической оптимизации и реализована в виде программного кода с интерфейсной оболочкой. Разработанный метод обеспечивает существенное уточнение результатов компьютерного моделирования технологий изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в программной среде ЬУМР1о, что подтверждено сравнением результатов моделирования с наблюдаемыми усадочными дефектами в сечениях отливок после разрушающего контроля.
2. С использованием разработанного метода САПР сформирована база данных основных формовочных материалов, применяемых в литейном производстве УВЗ. Уточненные свойства материалов в базе данных программы 1УМ1;1о' способствуют повышению точности моделирования и проектирования технологий литья для всего спектра производимых предприятием отливок.
3. В программной среде ЬУМР1о разработана уточненная компьютерная модель технологии изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок из стали 20ГЛ, для которой выбраны и проверены параметры расчетной сетки, граничные и начальные условия, а также теплофизические свойства литейной стали, материалов формы и стержней. Компьютерная модель с уточненными свойствами материалов, применяемых в литейном производстве УВЗ, проверена на тестовых, опытных и серийных отливках заводскими испытаниями способом механической порезки отливок. Показано, что уточненная компьютерная модель обеспечивает достоверное предсказание локализации усадочных дефектов в отливке при проведении вычислительных экспериментов.
4. Разработаны и внедрены в технологический процесс экзотермические стержни-вставки с геометрией погружной части в виде усеченной пирамиды. Показана высокая эффективность использования прибылей с разработанными вставками: время действия прибыли с экзотермической вставкой увеличивается до 25% по сравнению с аналогичной прибылью с экзотермическим стержнем вставкой с погружной частью в виде усеченного тела вращения.
5. По результатам проведения вычислительных экспериментов с уточненной компьютерной моделью процессов затвердевания отливки в песчаной форме, внесены изменения в оснастку для изготовления крупногабаритных тонкостенных стальных отливок «Рама боковая» и «Балка надрессорная». Усовершенствованные технологии обеспечили снижение брака по усадочным дефектам для отливок «Рама боковая» с 36% (2010 г.) до 3% (2020 г.), для отливок «Балка надрессорная» с 42% (2010г.) до 4% (2020 г.).
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования
Дальнейшую работу по тематике диссертации возможно продолжить в направлении изучения технологических трещин в отливках с применением методов компьютерного моделирования. Усадочная пористость может значительно сокращать начальный период образования трещин в условиях неоднородного охлаждения отливки. Поэтому результаты выполненной диссертационной работы в части постановки вычислительных экспериментов по анализу усадочных дефектов могут стать основой для выявления закономерностей формирования трещин и способов их устранения. В дополнение к теплофизическим свойствам материалов для изучения напряженно-деформированного состояния отливки в литейной форме требуются физико-механические свойства. Формирование таких свойств в температурном интервале около температуры солидус является нерешенной проблемой компьютерного моделирования литейных технологий.
В части развития методов САПР литейной оснастки и литейной технологии тему диссертационной работы можно развить в направлении создания подсистемы САПР, которая свяжет изменение свойств формовочных материалов с многофакторной вариацией структуры и характеристик составляющих компонентов. Такой подход требует длительной работы большой научной школы по развитию многих теоретических аспектов. Вместе с тем, следует отметить, что разработанный в данной диссертационной работе метод позволил в краткие сроки решить все основные проблемы качества крупногабаритных тонкостенных стальных отливок в условиях УВЗ.