Разработка сквозной технологии производства головки цилиндра

Газы, попадающие в поток расплавленного металла создают пористость, что в сочетании с пустотами, образующимися во время процесса затвердевания, снижает качество конечных литых деталей.

Литые детали с более низкой пористостью  прочней и могут быть успешно  повторно нагреты для улучшения их механических свойств.

Динамическая вентильная система - это вентиль, способный варьировать  свой размер в зависимости от давления плавки во время заполнения. Рентгеновский  анализ пробных отливок показал  что благодаря использованию  динамической вентильной системы значительное улучшение плотности как в более толстых, так и в более тонких местах детали.

Технология ATM задействует революционную  систему доставки расплавленного металла  для процесса литья под высоким  давлением, удешевляя эту операцию по сравнению с традиционной системы доставки.

"ATM подготавливает расплавленный  металл перед заполнением формы,  благодаря чему он становится более текучим и менее вязким","в результате, поток течет быстрее и части литой детали крепче присоединяются друг к другу в местах их сочленения".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3 Литье под низким давлением

 

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 подъема 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок.6. Принципиальная схема ЛНД: а – в кокиль; б – в песчаную форму. 1, 13 – печь с электронагревом; 2, 12 – металлопровод;3 – газообразная среда под давлением; 4 – проставка;5 – литейный стол; 6 – кокиль; 7 – подвижная прижимная плита; 8 – прижим (при необходимости); 9 – открытая или закрытая песчаная форма; 10 – интегрированная литниковая система; 11 – плита машины

 

Технология ЛНД позволяет провести заполнение формы для протяженных  тонкостенных отливок, в широкихпределах  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.

 

 

 

 

 

 

 

5.3.1 Основные преимущества

 

 

• автоматизация трудоемкой 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.

 

5.3.2 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 ее 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 .

 

 

5.3.3 Область применения 

 

Преимущества и недостатки способа  определяют рациональную область его  применения и перспективы использования. Литье 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.7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7-. Примеры отливок, изготавливаемых ЛНД

 

5.4 Лидер в производстве отливок методом 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 самолетов, 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 оснащен самым современным программным обеспечением и оборудованием для изготовления литейных форм и заливки металла, причем весь процесс разработки технологии литья и ее реализации «в металле» завязан в единую цепочку сквозного проектирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.5 Сквозная цепочка проектирования  новой литейной технологии

 

 

 

Рисунок 8 .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 ее корректировки в кратчайшие сроки. САМ ЛП LVMFlow CV основана на методе контролируемого объема (МКО) и позволяет:

• проследить заполнение формы металлом;

• рассчитать температурные поля отливки и формы;

• произвести расчет 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.

 

5.6 Сущность новой технологии

 

Сущность внедренной на производстве цепочки проектирования технологии и изготовления отливок, представленной на рис.8, 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.9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9. 3D-модель отливки, изготавливаемой методом литья под низким давлением

 

Имея 3D-модель отливки с ЛПС и  технологические данные, необходимые для ее изготовления методом ЛНД, в САМ ЛП LVMFlow CV производится компьютерное моделирование заливки формы, затвердевания и охлаждения отливки (рис. 10).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10. Процесс моделирования в LVMFlow CV: а – 3D-модель отливки с ЛПС; б – расчетная сетка; в – поле «Температура»;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Процесс моделирования в LVMFlow CV: г – поле «Жидкая фаза»; д – поле «Скорости»;

 

Рис. 5. Процесс моделированияв LVMFlow CV: е– поле «Усадка»

 

 

 

 

 

При этом LVMFlow CV учитывает большое количество таких технологических особенностей ЛНД, как (рис.11):

• конфигурация и емкость 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.

Рисунок 11. Опция литья под низким давлением в LVMFlow CV: I – функция «параметры заливки», II– диаграмма «давление-время»:а – на пульте управления установкой ЛНД; б – 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.12).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12. Этап проектирования литейной формы

 

 

 

Используя проработанную в LVMFlow CV 3D-модель отливки с ЛПС, в конструкторской программе SolidWorks разрабатывается и конструируется литейная форма. Результатом данного этапа является трехмерная модель формы, которая передается на 3Dпринтер (рис.13).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 13. 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. 14).

 

 

Рисунок 14. Готовый стержень, полученный на установке селективного отверждения

 

После этого собранная форма  подается на установку литья под  низким давлением в песчаные формы  фирмы KURTZ (Германия), где происходит заливка формы (рис. 15).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15. Установка литья под низким давлением фирмы KURTZ (а), извлечение отливки из формы (б)

 

 

 

 

7. Итог

 

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 ее разработки заменяется компьютерным моделированием. Высокая скорость расчета в LVMFlow CV позволила существенно сократить сроки освоения новых изделий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Анализ двух технологий

 

В данном разделе мы проведем анализ двух методов литья. Старого, по выплавляемым моделям и нового  метода ЛНД с использованием компьютерных технологий.

 

6.1 Преимущества и недостатки  литья по выплавляемым моделям

 

Преимущества этого способа: возможность  изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке; получение отливок с точностью  размеров до 11 — 13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5—1,25 мкм, что в ряде случаев устраняет обработку резанием; возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей. Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.

Недостатки этого способоа: относительно высокая стоимость формовочных  материалов;сложность модельной  оснастки;повышенное выделение вредных  химических веществ в ходе термического удаления модельного вещества, механические свойства литых металлов и сплавов ниже, пористость выше, возможно наличие внутренних дефектов и другие.

 

6.2 Анализ ЛНД с использование  компьютерных технологий.