Информационный ресурс по литейному производству
для тех, кто стремится быть в авангарде
ЛИТЕРАТУРА: Статьи
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В ЛИТЬЕ ПОД НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
В.В. Турищев, А.С. Леднев (ООО «ПроМодель», г. Воронеж),
С.В. Несветаев, М.А. Чернова (ОАО «ВМП «АВИТЕК», г. Киров)
Сущность литья под низким давлением (ЛНД) как разновидности литья под регулируемым давлением заключается в том, что заполнение полости формы расплавом и затвердевание отливки происходит под действием избыточного давления воздуха или инертного газа. При этом, для подъёма расплава и заполнения формы требуемое избыточное давление менее 0.1 МПа, чем и объясняется использование термина «низкое давление» (рис. 1).
При ЛНД отливку изготавливают в кокиле, песчаной или комбинированной форме (кокиль и песчаные стержни), а также в керамической или оболочковой форме [1].
 |
Рис.1: Принципиальная схема ЛНД |
Технология ЛНД позволяет провести заполнение формы для протяженных тонкостенных отливок, в широких пределах регулировать скорость заполнения формы расплавом, изменять продолжительность заполнения отдельных участков формы отливок сложной конфигурации с переменной толщиной стенки с целью управления процессом теплообмена между расплавом и формой, добиваясь рациональной последовательности затвердевания отдельных частей отливки.
Основными преимуществами процесса ЛНД являются: автоматизация трудоёмкой операции заливки формы; возможность регулирования скорости потока расплава в полости формы изменением давления в камере установки; улучшение питания отливки; снижение расхода металла на литниковую систему.
Основные недостатки: невысокая стойкость части металлопровода, погруженной в расплав, что затрудняет использование способа литья для сплавов с высокой температурой плавления; сложность системы регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении её камеры воздухом, нестабильностью утечек воздуха через уплотнения, понижением уровня расплава в установке по мере изготовления отливок; возможность ухудшения качества сплава при длительной выдержке в тигле установки; сложность эксплуатации и наладки установок [2].
Преимущества и недостатки способа определяют рациональную область его применения и перспективы использования. Литьё под низким давлением наиболее широко применяют для изготовления сложных фасонных и особенно тонкостенных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов в автомобилестроении, авиа- и космической промышленности, простых отливок из медных сплавов и сталей в серийном и массовом производстве (рис. 2).
 |
 |
 |
 |
 |
Рис. 2: Примеры отливок, изготавливаемых ЛНД |
|
Одним из лидеров в области производства отливок методом ЛНД в нашей стране является предприятие ОАО «ВМП «АВИТЕК» г. Киров - старейшее авиационное предприятие России, которое выпускает зенитные управляемые ракеты, уникальные катапультные кресла для боевых самолётов, грузоподъемные механизмы и системы для авиации, а также большой спектр товаров народного потребления и гражданской продукции. Предприятие работает по замкнутому производственному циклу, начиная с литейного и кузнечно-прессового производства и заканчивая сборкой готовых изделий и их испытанием. Сегодня гордостью предприятия является Литейно-технологический центр по изготовлению высококачественных отливок оборонного, авиационного и гражданского назначения для предприятий, входящих в состав Концерна ПВО «Алмаз-Антей» и сторонних организаций. Литейно-технологический центр оснащён самым современным программным обеспечением, оборудованием для изготовления литейных форм и заливки металла, причём, весь процесс разработки технологии литья и её реализации «в металле» завязан в единую цепочку сквозного проектирования (рис. 3).
 |
Рис. 3: Сквозная цепочка проектирования литейной технологии, внедренная на предприятии |
В центре данной цепочки стоит система автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП) LVMFlow CV, предназначенная для проведения анализа литейной технологии и её корректировки в кратчайшие сроки. САМ ЛП LVMFlow CV основана на методе контролируемого объёма (МКО) и позволяет:
Проследить заполнение формы металлом.
Рассчитать температурные поля отливки и формы.
Произвести расчёт поля жидкой фазы.
Рассчитать поле скоростей.
Рассчитать конвективные потоки.
Рассчитать поле давлений.
Оценить возможные дефекты в отливке.
Рассчитать напряжения и деформацию отливки.
Оценить работу фильтров.
Учесть многократное использование формы.
Разработать технологию ЛПД.
Рассчитать размеры прибылей и литниковой системы.
Учесть поведение газа в полости формы при заполнении.
Прогнозировать захват воздуха в процессе заливки.
Подобрать размеры изо- и экзотермических оболочек для прибылей.
Сложность и специфичность процесса ЛНД приводят к тому, что уже на этапе разработки литейной технологии инженер-литейщик сталкивается со следующими трудностями:
выбор оптимальной литниково-питающей системы (ЛПС);
выбор температуры заливки;
выбор оптимальной скорости течения расплава;
предотвращение колебания скоростей потока в процессе заливки;
подбор статического давления и времени выдержки при нем по окончании заливки формы;
предотвращение механического пригара;
конструирование вентиляционной системы.
При разработке литейной технологии классическим методом «проб и ошибок» решение технологических трудностей, описанных выше, существенно замедляет процесс освоения нового изделия и в силу специфичности способа ЛНД несёт с собой большие материальные затраты. В связи с этим на предприятии была поставлена задача ускорения процесса разработки литейной технологии и выбран способ её решения – компьютерное моделирование. Предприятием протестировано несколько программ компьютерного моделирования литейных процессов. Самым удобным инструментом для решения этой задачи является САМ ЛП LVMFlow CV, в которой специально для этого была реализована опция литья под низким давлением, позволяющая ускорить разработку оптимальной ЛПС, выбрать скорость заливки и статическое давление, подобрать температуру заливки, сконструировать вентиляционную систему формы и др.
Сущность внедрённой на производстве цепочки проектирования технологии и изготовления отливок, представленной на рис. 3, состоит в следующем.
При поступлении нового заказа на литье исходным заданием является двумерный чертеж литой детали. Разработка литейной технологии начинается традиционным способом – исходя из опыта и знаний в области литейного производства, инженер-технолог разрабатывает ЛПС непосредственно на чертеже отливки, подбирает рекомендуемые технологические параметры литья и т.д. Затем, используя систему твердотельного моделирования SolidWorks, воспроизводит разработанную ЛПС в виде 3D-модели (рис. 4).
 |
 |
Рис. 4: 3D-модель отливки, изготавливаемой методом литья под низким давлением |
|
Имея 3D-модель отливки с ЛПС и технологические данные, необходимые для её изготовления методом ЛНД, в САМ ЛП LVMFlow CV производится компьютерное моделирование заливки формы, затвердевания и охлаждения отливки (Рис. 5). При этом LVMFlow CV учитывает большое количество технологических особенностей ЛНД, таких как (рис.6):
конфигурация и ёмкость тигля;
размеры металлопровода;
параметры «разгона» (поведение расплава в металлопроводе до начала заливки);
конфигурация диаграммы «давление-время»;
статическое давление и время выдержки при нем после окончания заливки.
 |
 |
а - 3D-модель отливки с ЛПС; |
б – расчетная сетка; |
 |
 |
в – поле «Температура»; |
|
 |
 |
 |
г – поле «Жидкая фаза»; |
||
 |
 |
д – поле «Скорости»; |
|
|
|
|
е – поле «Усадка» |
||
Рис. 5: Процесс моделирования в LVMFlow CV |
||
По завершении данного этапа по результатам компьютерного моделирования делается вывод об эффективности разработанной технологии: если в отливке обнаружены литейные дефекты (раковины, пористость, трещины и т.д.), то необходимо произвести доработку технологии; если же в теле отливки дефекты отсутствуют, то инженер-конструктор-технолог переходит к следующему этапу: проектированию литейной формы (рис. 7).
 |
Рис. 6: Опция литья под низким давлением в LVMFlow CV |
Используя проработанную в LVMFlow CV 3D-модель отливки с ЛПС, в конструкторской программе SolidWorks происходит разработка и конструирование литейной формы. Результатом данного этапа является трехмерная модель формы, которая передается на 3D-принтер (рис.8).
 |
 |
Рис. 7: Этап проектирования литейной формы |
Рис. 8: Общий вид принтера для трехмерной печати |
На 3D-принтере методом послойной трехмерной печати происходит изготовление составных частей формы (стержней), которые впоследствии собираются в стержневые пакеты (рис. 9).
 |
 |
Рис. 9. Готовый стержень, полученный на установке селективного отверждения |
|
После этого собранная форма подается на установку литья под низким давлением в песчаные формы фирмы KURTZ (производство Германия), где происходит заливка формы (рис. 10).
 |
 |
Рис. 10: Установка литья под низким давлением фирмы KURTZ, извлечение отливки из формы |
|
В итоге, отказ от метода «проб и ошибок» и переход к сквозной цепочке проектирования литейной технологии, акцентированной на математическом моделировании литейного процесса в LVMFlow CV, позволил получать на выходе бездефектные отливки с высокой вероятностью, что повысило качество выпускаемого литья. При этом достигается высокий экономический эффект, т.к. заливка пробных вариантов технологии на этапе её разработки заменяется компьютерным моделированием. Высокая скорость расчёта в LVMFlow CV позволила существенно сократить сроки освоения новых изделий.
По всем вопросам обращайтесь:
|
ООО "ПроМодель" |
ОАО «ВМП «АВИТЕК» |
Литература:
1. Kurtz Industrial Technology Companies. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.kurtz.ru/content1727.html.
2. Степанов Ю.А. Технология литейного производства: Специальные виды литья. Учебник для вузов по специальностям “Машины и технология литейного производства”, “Литейное производство черных и цветных металлов” / Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин. - М.: Машиностроение, 1983. - 287 с., ил.
Сведения об авторах:
Турищев Владислав Владимирович - генеральный директор ООО «ПроМодель» г. Воронеж, тел.: +7 (473) 258- 33-26, факс: +7 (473) 270-99-35, е-mail: info@modelworks.ru
Леднев Александр Сергеевич - технический директор ООО «ПроМодель» г. Воронеж, тел.: +7 (473) 258-33-26, факс: +7 (473) 270-99-35, е-mail: al@lvmflow.ru
Несветаев Сергей Владимирович - главный специалист по информационным технологиям в службе Главного технолога ОАО «ВМП «АВИТЕК» г. Киров, т.: +7 (8332) 49-02-43, е-mail: sgt@vmpavitec.ru
Чернова Мария Александровна - инженер-конструктор - руководитель группы моделирования литейных про- цессов ОАО «ВМП «АВИТЕК» г. Киров, тел.: +7 (8332) 23-64-89, е-mail: faslit@vmpavitec.ru
Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №12 (136) 2011 г.
Дата публикации: 15.12. 2011 г.