автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и освоение методик автоматизированного проектирования технологии и оснастки для литья под давлением

.. -Г'" 2 ^ I

НИЖЕГОРОДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Л НУ ШИН Игорь Олегович

УДК 621.74:658.512.011.56:681.3

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ МЕТОДИК АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ОСНАСТКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ.

Специальность 05.16.04—литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Нижний Новгород, 1992 год

Работа выполнена в Нижегородском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Научный руководитель—заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Тимофеев Г. И.

Официальные оппоненты—доктор технических наук, профессор Чистяков В. В.;

кандидат технических паук, с.п.с. Пименов Н. П.

Ведущая организация—ПО «Автодвигатель», г. Заволжье.

Защита диссертации состоится « ¿О » марта 1992 г. в час. на заседании специализированного совета К 063.85.05 п Нижегородском политехническом институте по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Телефоны для справок: 36—93—89, 36—34—78.

Автореферат разослан « ^^ » февраля 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент В. А. ВАСИЛЬЕВ.

| ' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

>

Л1-'1,. Актуальность работы. Добиться существенного прогресса в развитии современного литейного, производства, не ориентируясь на сокращение сроков и повышение качества технологической подготовки производства СТЕП), практически невозможно. Именно качеством и сроками технологической подготовки определяется уровень литейных технологий, позволяющий обеспечить надеясную заготовительную базу для выдачи конечного продукта. Болыпуга роль здесь призваны сыграть разрабатываемые на основе последних достижений информатики й прикладной математики системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) литья. Применение САПР ТП особенно рационально и эффективно на базе относительно недорогих и доступных большинству проектных подразделений персональных ЭШ в ТПП быстро распространяющихся специальных видов литья, где при проведении проектных работ используется большой объем информации и в большой степени формализуемые методики разработки технологических процессов, а характерными моментами являются высокая стоимость и сложность метал-, лшческой осрастки и трудности доработки принятых проектных решений в условиях производства. Одним из таких видов является литье под давлением (ЛВД). Характерными дефектами отлиеок, получаемых способом ЛИД, являются газовая пористость и спаи, связанные со спецификой процессов заполнения формы.

Работа выполнялась как составная, часть проекта "Интеллектуализация автоматизированных процессов проектирования и научных исследований" в ракках принятой программы "САПР" Государственного комитета по делам науки и высшей школы РСФСР.

Целями работы являются разработка и освоение методик автоматизированного проектирования технологии отливки и-оснастки ЛЕД, позволяющих ускорить и улучшить ТШ за счет применена новых способов расчетов, опенок и выбора параметров технологического процесса, касающихся, главным образом, процесса заполнения формы, и возможностей вычислительной техники; повысить качество принимаемых технологических и конструкторских решении и, в конечном счете, получаемого литья.

Методы исследования. При исследовании математических моделей процессов и структурно-функциональном анализе форм применялась методы математического анализа, прикладной математики, ма-

тематической физики, теории систем к вычислительной гидро-газо-диягшки. Ноше расчетные методики разрабатывались с использо-: ванием аппарата сопротивления материалов, общей физики и литейной гидравлики. Автоматизация проектирования технологии отливки и технологической оснастки реалиаовывалась на основе методов машинной графики, компьютерной геометрии, информатики, практического программирования и теории САПР.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты и положения.

1. Разработана и освоена методика автоматизированного проектирования на персональной ЭВЛ технологии отливки и оснастки ЛЩ, учитывающая специфику массового и серийного цроизводства.

2. Проведен аналиг и исследован алгоритм наховдения ряда частных решений обобщенной аналитической модели процесса заполнения в ЛСД численными методами; определены условия и границы их применения для решения практических задач.

3. Разработана и освоена методика проведения компьютерного моделирования процесса заполнения «а основе аналитико-имита-ционной модели, црименимая для отладки технологического процесса на стадии ТПП и прогнозирования характерных дефектов отливок.

4. Проанализированы варианты технологических режимов заг-полнения и поведения системы "расплав - газ" в каналах формы для различных конструкций литниковых систем и кинематики прессующего поршня и математически выявлена связь медду основными параметрами технологической схемы процесса ЛВД.

5. Разработана методика совместного проверочного расчета вентиляционной и литниковой систем пресс-формы ЛЩ на соответствие газовому рекицу, позволяющая резать задачи оценки эффективности работы компонентов вентиляционной системы, расположила и расчета их рабочих размеров, а так&е вопрос рациональности применения той или иной технологической схемы для обеспечения качества литья по газовкм дефектам по разработанному оценочному критерию..

Практическая, ценность работы состоит в том, что разработанный программный когшаекс автоматизации проектирования технологии и оснастки ЛПД,- но'вые проектные методики и рекомендации по результатам анализа технологических рент,«ов позволяют сократить сроки и повысить качество ТПП, а также увеличить проиЗво-дптелыюсть и поднять культуру труда ишаазров-литеДщикосв про-* е::с:шх и технологических подразделений нашпностроктелыпж- пред-

приятий. .

Реализация результатов работы. Результаты работы проверены и внедрены на Нижегородском производственном объединении "Теплообменник" с сокращением времени разработки технологического процесса в 15 раз. Годовой экономический эффект составил 16,175 тис.руб.

Разработанная методика автоматизированного проектирования оснастки опробована и внедрена на производственном объединении "ГАЗ" для разработки пресс-форм литья под давлением пластмассовых деталей на персональных ЭШ типа 1Ш РС с выигрышем по времени в 2-4 раза в зависимости от сложности детали, что обеспечивает ориентировочный экономический эффект'4,5-6,0 руб. на I час маканного времени.

Разработанные! программный комплекс для автоматизированного проектирования технологии ШШ прошел проверку и внедряется в условиях Заволяского производственного объединения "Автодвигатель" с ояпдаемыы экономическим эффектом более 70 тыс.руб.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались:

- на научных семинарах кафедры "Машины а технология литейного производства" и "Литейно-металлургические процессы и сплавы" ШШИ в 1988-1992 г.г.;

- на научно-технических семинарах на предприятиях ПО ТАЗ", ПО "Теплообменник" (г.Лигнин Новгород), ПО "Автодвигатель"

(г.Заволжье), в 1988-1992 г.г.;

- на региональных научно-технических семинарах и конференциях Эзлго-Гктского региона "Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-металлургическом производстве", 1ЩГИ, НТО ".'/литром", Н.Новгород, 1989,1990,1991 г.г.;

- на всесоюзном научно-техническом семинаре "Современные технологические процессы и оборудование для литья в металлические форш", ЦНИИ информации, .'/йноборонпргал, Москва, 198Э г.;

- на республиканской научно-технической конференции "Разработка технологических процессов литья, проектирования оснастки л анализ качества отливок с использованием ЭЛ.!", РЛТ11, Рыбинск, 1990 г.*

- на всесоюзной научно-техничесноЛ кокфзрзшпст "Управлз.п:й технологически:.® процессами литья и свойствами, отливок", Г-21А7, .Москва, 1Э90 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей з

центральных и других издательствах.

Объем работы.-Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, изложенных на ^56 листах, содержит 50 рисунков, 3 таблицы и приложения. Список литературы содержит 166 наименований.

ОСНОВНОЗ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе цроведен анализ состояния вопросов:

- основные направления компьютеризации литейного производства и применение ЭН.1 для автоматизированного проектирования литейных технологий и оснастки;

- моделирование процессов заполнения формы при литье под давлением;

- особенности разработки технологии литья под давлением и частные задачи расчета параметров процесса с помощью ЭШ.

В последнее время активизировалась работа по внедрению компьютеров и новых информационных технологий в литейное производство. Сферы применения ЭШ в литейном производстве очень разнообразны: от автоматизированных систем управления производством и технологическими процессами до проектирования технологии и оснастки. Наиболее молодым направлением применения ЭВЛ в литейном производстве являются САПР ТП. Основные задачи, решаемые в рамках таких систем, - это расчет лптниково-питаэдих и вентиляционных систем, конструирование отливки, проектирование оснастки, моделирование теплового и напряженного состояния отливки и формы, процессов затвердевания и заполнения с прогнозированием дефектов, расчет пихты, режимов плавки, Еыбор технологического оборудования, выпуск текстовой технологической документации.

Анализ работ отечественных и зарубежных авторов показывает, что наряду с разработкой целого ряда программ для решения отдельных частных проектных задач усиливается тенденция к создаг-нию интегрированных программных комплексов и систем типа САБ/САМ ориентированных на решение ьсего комплекса задач ТДП, где проектирование технологии отливки и оснастки и их изготовление рассматриваются как промеауточная стадия единого процесса создания готовой детали. В настоящее время успешно разрабатываются и ос-вспшгазтся такие структурные части САПР ТП литья, как подсистгмц разработки конструкции отлива, расчетов и выбора парал:етроь

прсшессов и проектирование оснастки в приложении к различным видам литья, в том числе и'ЛЦЦ, реализуемые на базе автоматизированных рабочих мест проектировщиков. Однако по-прежнему остро стоит задача создания и программной реализации принципиально новой технологии проектирования, суть"которой состоит в предоставлении инженеру возможности Традиционную совокупность этапов проектирования рассматривать как единую задачу во всей сложности ее взаимосвязей.

Специфика ЛПД, и в частности, характер и причины образования типичных дефектов отливов, получаемых этим способом, а также практическая непригодность и трудоемкость применяемых методов моделирования заполнения формы, носящих, в основном, экспериментальный, лабораторный характер, обуславливают необходимость разработки и освоения достаточно просто и быстро реализуемых на персональных ЭВЛ, наглядных и надеяннх методик прогнозирования дефектов. Для их создания необходимо подробное исследование и . анализ возможностей существующих методов математического моделирования по решению задачи моделирования заполнения формы в условиях ЛЦД.

И, наконец, анализ сложившегося алгоритма проектирования технологии и оснастки ЛПД показывает, что:

- весь комплекс проектных задач штао условно разделить на формализуемые и трудноформализуемые задачи и соответственно решать вопрос о степени автоматизации за счет компьютеризации того или иного проектного этапа, освобождая инженера от рутинной работы;

- еще недостаточно используются возможности ЭВЛ для облег-

• чения проектной деятельности и особенно при решении многовари- • антных конструкторских задач и поиске необходимой технической информации; ЭШ применяется лишь для решения частных, обычно расчетных легко формализуемых- задач;

' - несмотря на практическую ценность накопленйых опыта и рекомендаций по проектированию технологии и оснастка ЛПД, они носят эмпирический несистематизированный характер, что затруд-Ечет их использование в условиях рс^зличных предприятий и производств;

- в' конструкторской и технологической практике отсутствуют надежные методики совместного проектирования литниковой и вентиляционной систем пресс-форлы ЛЦЦ, затрагивавшие вопросы размещения и расчета рабочих размеров элементов систем с учетом

- 8 - ..

-___у -

реальностей процесса ЛЩ в взаимного влияния обеих систем на качество цродасса заполнения;

- имеющиеся методики конструкторской оценки геометрии ответственных деталей пресс-формы £ЦД основаны на рекомендациях и эмпирических соотношениях, не учитывающих связь конструкции деталей с величиной технологических параметров процесса;

- отсутствует анализ вариантов технологических режимов заполнения формы для различных- конструкций литниковых систем и кинематики прессующего поршня; связь менду отдельными параметрами технологической схемы процесса ЛЩ в этом плане недостаточно математически исследована г оотаатся неявной.

Таким образом, для решения в работе были выделены следующие задачи:

1) разработать, освоить и внедрить гибкую методику автоматизированного проектирования технологии отливки и оснастки ЛЩ на баге персональной ЭШ с учетом специфики массового и серийного производства и использованием новейших информационных технологий; '■.•'•:'

2) проанализировать и исследовать математическую модель процесса заполнения формы при ЛЩ с целою получения решения численными методами;

3) разработать методику компьютерного моделирования процесса заполнения формы и решения трудноформализуемых проектных задач конструирования литниковой и вентиляционной систем и выбора параметров технологического процесса ЛЩ;

4) на основе анализа гидро-газодинамики движения потока и технологических режимов заполнения разработать методику совместного расчета вентиляционной и литниковой систем пресс-формы ЛЩ, включающую оценку эффективности работы и рабочих размеров компонентов вентиляционной системы при заполнении формы и проверку литниковой, системы на соответствие газовому режиму;

5) разработать и проверить методики расчета ответственных деталей пресс-формы ЛЩ с учетом связи с величинами технологических параметров процесса.

Во второй главе рассмотрены следующие вопросы, связанные с математическим моделированием процесса заполнения формы в ЛЩ:

- выбор базовой физической модели и постановка 8адачи математического моделирования заполнения формы;

- построение и анализ аналитической модели заполнения формы расплавом;

- исследование вариантов и способов решения аналитической модели численными методами; .

- построение и анализ аналитико-иыитационной модели заполнения;'

- разработка и реализация методики компьютерного моделирования заполнения формы при ЛВД," •

. Анализ литературных и экспериментальных данных показал, что максимально соответствующей реальному.процессу заполнения формы в ЛВД является физическая модель нестационарного неизотермического движения .двухфазной системы "жидкий металл - газ" внутри ограниченного объема полости формы заданной конфигурации. Однако трудности математического описания и решения такой модели настолько велики, что аналитически соответствующая математическая модель неразрешима вовсе, а численными методами-ее удается решать лишь в единичных, не представляющих практического интереса, частных случаях в значительно упрощенной постановке на ЭВМ высокого класса. Относительная доступность математического аппарата позволила выбрать в качестве базовой физическую модель двияения однофазной жидкой среды. Воцрос учета "газо-яидкостнсй" специфики модели на начальном этапе опускался.

По схеме решения основной задачи гидродинамики с использованием уравнений неразрывности, движения Навье-Стокса, энергии и .записанной в общем взде. зависимости динамической вязкости потока от давления и температуры при соответствующих условиях однозначности была записана обобщенная' аналитическая модель процесса заполнения формы жидким.расплавом при ЛЦД. Анализ полученной мбдели показал, что:

в общем случае модель мокет и не иметь аналитического решения, несмотря на замкнутость подученной системы уравнений, да-зке в условиях двухмерной постановки задачи; .

- решение модели в такой- записи численными методами затрудняется сложностями математического учета (в первую очередь - в условиях однозначности)' взаимосвязей, ее параметров с другими факторами процесса ЖЩ;

- область существовать модели в общем случае ограничивается ламинарными режимами днещяпя, т.п. не учитывает случайных колебаний параметров среда, характерных дал турбуленизацзл.

Проблема распространения обдали существования модели на турбулентные режимы принципе.разрешима методом усреднения гидро- и термодинамических параметров модели. Однако при этом

вид модели становится еще более громоздким, теряется строгость постановки и усложняется процедура формализации получения решения, необходимая для реализации задачи на ЭШ.

В этих условиях наиболее рациональными вариантами решения проблемы представлялись:

- упрощение и замена общей задачи совокупностью частных, решаемых аналитическими или численными методами при сохранении для переменных параметров модели статуса усредненных;

- отказ от чисто аналитического вида модели и замена его другим.

Б г оде. работы над первым вариантом рассматривались и ана-лиз1фовались: задача нестационарного теплообмена в каналах различной геометрии при течении вязкого несжимаемого расплава, решаемая сошествии применением методов конечных разностей и конечных элементов; задача о течении несжимаемого вязкого расплава по каналам формы в изотермических условиях и задача расчета двумерного температурного поля расплава при установившемся течении, решаемые методом конечных разностей. Вели первая, задача рассматривалась как упрощение поставленной, то две другие представлялись как результат приведения ее к совокупности частных, соответствующих гидродинамическому и тепловому аспектам. Сущность приема в последнем случае заключалась в следующем. В зависимости от практической направленности решения общей задачи один из ее аспектов (тепловой или гидродинамический) выбирается в качестве приоритетного, а второй "замораживается", фиксируется. Общая задача заменяется совокупностью частных относительно приоритетного аспекта с шаговым изменением параметров "замороженного". Так, практическая задача выбора места расположения общих прошвников, для которой в качестве приоритетного выбирается гидродинамический аспект, сводится к совокупности частных задач расчета течения несжимаемого вязкого расплава по каналам формы в изотермических условиях с шаговым изменением величины динамической вязкости, как функции давления и температуры, заданной дополнительно. Б результате получаем цепочку "снимков" гидродинамической сетки, по которой можем судить о характере движения потока, выделять зоны завихрений, потенциально опасные по газовым включениям, что является отправной информацией для решения 8адачи о промывниках. Другая практическая задача - поиска зон встреч охлавденнкх потоков (или прогнозирование дефектов типа спай) в форме - связана с расчетом температурных по-

терь в литниковых каналах при движении расплава. Здесь в качестве приоритетного выбирается узе тепловой аспект, а распределения температур по сечениям каналов в фиксированные моменты времени строятся по уравнению энергии и известному профилю скорости, т.е. задача сводится к совокупности частных задач расчета температурного поля расплава при течении по каналам формы и патовом изменении'профиля скоростей на различных участках.

Проведенный анализ возможностей упрощения записанной аналитической модели л сведения ее к совокупности частных задач, решаемых численными методами, показал, что:

- такой подход имеет право на существование;

- однако появляется ряд трудностей по наложению расчетных сеток на контрольные области, анализу физических схем для записи граничных условий в каядом конкретном случае, формированию массивов исходной информации, рациональному программированию л выбору базовых конечно-разностных схем и ЭШ;

- расчет получается громоздким, длительным; требует болк-пих объемов памяти ЭК,!;

- полный отказ от аналитической модели нецелесообразен, т.к. ято нарушит целостность задачи, усложнит формализацию при построении алгоритмической модели и дальнейшую реализацию на ЭШ.

В связи с этим в качестве рабочей была выбрана аналлтико-имптационная модель процесса заполнения ЛЩ, принцип построения которой заключался в следующем. Аналитическая часть модели соответствовала тепловому аспекту задачи л сводилась к расчету темпйратурного поля расплава при течении по каналам формы, а имитационная - гидродинамическому и основывалась на экспериментальной базе данных, подтвержденных скоростной киносъемкой. Б качестве входных параметров модели использовались текущая скорость, температура потока и конфигурация заполняемой полости. Связь мэдду частями модели осуществлялась через вязкость, рассматривавшуюся как функции температуры. Появилась возможность косвенно учесть "газо-гидкостЕую" специфику заполнения в ЛЦЦ за счет коррзятпровйп значения плотноетп расплава в адалптпчес-кей части модели по результатам оценки объема газа з газо-:л:д-костной скосн при заполнении форма.

Аналятико-нмктадионясе моделирование было реализовано как когшьотерное в двухмерной визуализации. При сохранении гийвщей-ся аналитической связи кезду параметра'.^ процесса имеется не-

которая библиотека типовых ситуаций (экспериментальная база данных), для которых в соответствие гамме входных параметров ставятся подтвержденные скоростной киносъемкой данные о поведении расплава в поле времени. При работе головной программы моделирования меняются значения входных паралетров модели по аналитически заданным зависимостям, на кавдом шаге "прощупывается" геометрия формы, а из■библиотеки типовых ситуаций вызывается соответствующая подпрограмма, описывающая поведение расплава в данный отрезок времени. Б результате в пате текущего времени формируется цельная картина процесса заполнения. Проектировщик • технологического процесса ЛПД, визуально наблюдая на экране дисплея ПЭВЛ процесс заполнения (рис. I) и изменяя начальные значения 2Х0Д1ШХ параметров модели или технологическую схему (конструкцию литниковой ели вентиляционной систем), имеет воз-моагосгь управлять двзхеннеы потока, прийти к наиболее оптимально му прооктноддг решению по технологической схеме вообщег и, в частности, рекуррентно решить трудноформализуешо задачи выбора мест подвода металла, расположения отпиши в форме, поверхности разъема, типа литниковой системы, расположения элементов вентиляционной системы (например, противников), а такке прогнозировать места расположения типичных дефектов типа газово!! пористости, раковин и спаев.

Разработанная методика компьютерного моделирования освоена для нескольких типов отливок. *

В пептре третьей главы стоял вопрос об эффективном использовании результатов компьютерного моделирования для выбора технологической схемы проц-зсса Ш1Д. В связи с этим в но:" были рас— смотрени•следуадгз вопросы:

- поведение потока при различных конструктивных и технологических вариантах заполнения .формы в ЖЩ;

- анализ конструкций п работы существующих вентиляционных систем пресс-фор:.! ЛПД;

- оценка объема про:.щвннЕОв;

- разработка4 методики совестного расчета вентиляционной и литниковой систем на осцобз задачи о газовом противодавлении потоку при заполнении форх.и;

- выдача методических рзтгендепзы по проекигрованвэ вентиляционной и легниховой систем пресс-формы.

Проектирование лшшвовэй и вентиляционной систем пресс-

Рис. I. Ког.иыотеркоз иэделированге запэлнзнет для отлиекп "Ро:.за" а,б,в - стадги заполнения г - выбранная по результатам моделирования

технологическая схема »

.-формы является важнейшей задачей разработки технологии ЛВД. Цели вопросы о структуре и расположении компонентов систем в определенной-степени мокло решить с помощью компьютерного моделирования заполнения, то для создания методики расчета рабочих размеров компонентов проводился анализ движения потока в форме с рассмотрением всех основных типов конструкций литниковых систем и кинематических рскимов двигения прессового поршня. Для Есех рассматриваемых вариантов рассчитывались объем свободных газов в форме и объем газов в составе двухфазной смеси в пересчете на нормальное давление цри движении потока на всех стадиях процесса заполнения в ЛЗЗД. Йри использовании в качестве отправного уравнения дшшения импульсной одиночной водны по свободной поверхности канала фиксированной глубины в общем виде были выведены в записаны условия невозникновения так называемого. газового "ыепка" в камере прессования:

> Ц (я)

шш 1г(т) < и(*)ы!п -(2) >

где и(т) _ функция скорости прессования от величины текущего времени;

и(г) - функция скорости ишульсной волны расплава ыа свободной поверхности от текущей величины глубины заполнения камеры;

причем ((т) и « ~ м/с •

Рассматривался вопрос влияния геометрии рассекателя на ход заполнения формы и разработана методика расчета рабочего угла встречи рассекателя с потоком для условий проектирования пресс-формы по принципу "минимального" трения.

.Расчетная формула была выведена аналитическим преобразованием математической записи принципа "минимального" трения, полученной из уравнения основного закона динамики поступательного двпнешхя кидкого расплава под давлением как системы материальных точек, теоремы о кинетической энергии для дкгаения расплава по каналам формы различных пропускных сечений и закона Бернуллк:

о( = агссо* (2. ^ /{ ) , (з) 1 =

где оС - рабочий угол рассекателя; h ( С

Z j-; и f 0 - соответственно суммарные пропускные сечения лпт-ifflKOBHX каналов непосредственно после и до встречи с рассекателем.

Величины объемов свободных газов и газов в составе двухфазной смеси на каддой стадии заполнения форма неразрывно связаны с эффективностью работы компонентов взнтилядионной системы, таких как конструктивные зазоры и вентиляционные каналы. Била создана методика расчета размеров и оценки эффективности работы конструктивных зазоров и вентиляционных каналов по объему удаляемых свободных газов с учетом "швучести" при заполнении формы. '

Проведенный с!рухтурньй анализ существующих конструкций вентилядиошых систем, анализ опыта проектирования вентиляционных и литниковых систем пресс-форм ЛПД на ПО "Автодвнг этель" (г.Заволкье) и изучение номенклатуры отливок данного предприятия позволили вняелть" целый ряд соответствий рациональных структур вентиляционных систем конструкциям отливок и гидродинамическим рокимам заполнения, а такке минимально допустимое зн'ачеиио критерия вонтилируемости пресс-формы, обеспечивающее удовлетворительное качество литья, равное для алюминиевых сплавов 0,1.

Результаты проведения анализа течения потока по каналам форды использовались для разработки методик оценки объема про-мывников. В одной из разработанных методик оценка производится по мере объемной нэзаполненности, а во второй - по доле временного интервала интенсивного нарастания давления к общему времени заполнения формы. Сходимость результатов расчетов с праети-ческиш данными при объемах полости формы до 200 см3 удовлетворительная.

В работе исследована динамика газового противодавления потоку расплава при заполнении форкы^ Изезстнио теоретические згг-висимости не когут применяться в качестве базоЕых для проведения проектных расчетов из-за того, что величина фигурирующего в данном уравнении критерия вентилпруекооти при расчете газового противодавления принимается не переменной, а постоянной, и завышена, Taie как не учитываются перекрытие потоком по ходу заполненет Форш отверстий вентиляционной система и соответственло увеличение количества неудаленного газа, замешиваемого в расплав. В работе задача решена о учетом этик явлений на основе постадийяого

рассмотрения уравнения адиабатического истечения свободного газа через отверстия вентиляционной системы и уравнения состояния газа с переменной массой и получена формула для расчета величины локального критерия Еентилпруемости на каздой стадии процесса заполнения формы в ЖЩ.

В итоге была разработана методика совместного проверочного расчета литниковой и вентиляционной систем пресс-формы ЖЩ, включающая оценку эффективности работы компонентов вентиляционной системы и расчет их рабочих размеров для конкретной технологической схемы. Причем роль оценочного критерия при решении вопроса о целесообразности применения той или иной технологической схемы для обеспечения качества литья по газовым дефектам в ней ; играет рассчитываемая величина локального критерия вентилируе-мости на заключительной стадш заполнения формы, которая сравнивается с минимально допустимой. Проведение расчетов по данной методике для различных вариантов позволяет простым сравнением чисел определить-наилучший как максимальное из них.

В заключении главы сформулирован ряд методических рекомендаций по проектированию взетшшвдонеой и литниковой систем пресс-формы ЛПД, главной идеей которых является компьютерное моделирование заполнения- с обяаате.льным учетом проектировщиком тесной взаимосвязи гидро^ и газодинамики процесса заполнения в ЖЩ с кинематикой поршня, величинами технологических параметров и конструкцией прссс-форг.^. • •

В четвертой главе рассмотрены:

- собственно вопросы автоматизации проектирования .технологии отливки и оснастки ЖЩ;

- разработка методики расчета толщины стенки формообразующего вкладыша пресс-формы ЖЩ;

- подходы к совдашгэ САПР ТП ЛЕД.

Традиционный алгоритм проектирования технологии ЖЩ включает в себя целый ряд этапов. Для автоматизации решения каждой из проектных задач они должны быть-формализованы, т.е. долкна быть однозначно описана процедура нахождения их решения. Доля формализуемых задач невелика. К нш относятся расчеты п процедуры, выходкой результат которых монет быть найден аналитически. К трудноформализуеиыи относятся технологические задачи выбора и мюговарпантные конструкторские задачи. По методу решения их конто разб.кгь на 3 класса:

- сводящиеся к использованию информационно-поисковых систем;

- сводящиеся к ряду формализуемых задач;

- решаемые рекуррентно, т.е. последовательным циклическим приближением'к оптшальному решению.

Характерной задачей последнего класса является компьютерное моделирование заполнения для выбора технологической схемы процесса ЖЩ.

В работе был проведен подробны! поэтапный анализ зозмоннос-тей применения ЭВМ для реализации ЕСех проектных процедур. На основе ого результатов была разработана информационно-поисковая' система для решения задач: проверки детали на технологичность, выбора споооба изготовления отливки, выбора поверхности разъема, положения отливки в форме, гнездностп формы, мест подвода металла, типа литниковой системы, назначения материала и способа смазки пресс-формы* те:лператур заливки и предварительного подогрева формы, продолжительности Еыдеряхн отливки в форме.

К числу формализуем!« задач разработки технологии отливки били отнесены расчет литниковой и вентиляционной систем пресс-формы, выбор базовой маггаш ЛПД. Для их решения были составлены и отлажены соответствующие программы. Обоснована необходимость и описана технология щшзшппя нмзгх^лхел средств машинной графики для последовательной кедгфакешт геометрической мэделз (И!) детали в Ш отливки и далее в ГП рабочей полосок формы в соответствии с традпцзоншгл алгоритмом проектирования.

Особое вгшмание в работе было уделено автоматизации проен-шфозошя пресс-форм ЛЦД. Принятие конкретных проектных решений здесь связано с обработкой и поисков большого объема пнформашга, -иогозариантиосткэ и проведением проверочных расчетов, поэтому использования только соответствующей разработанной цпфсрмзшон-но-лопскоеой слстеьш и отдельных программ т это:.: стане оказалось явно недостаточно. Предложенная- и реагнсовспная з работ з идея унгг'зреальяой, гибкой методики автоматизированного цроектз-г.0Б2ЕПЯ (АН) кзталлячоске£ литейной оснастки основана па теории парг^трзэгппн, структурнонТушшионалъном еаелкез есисгтки и х:о-пзлъссваннл конструктивного подхода в геомстричсспсм .уодеттрогсг-

Рзгулкгаян структурно-фушапонального гпаядга пресс--;ор:г «ак сбз-опта проектирования выявили достаточно кхсокуй сте-

пень ее унификации. Это позволило программными средствами фор- малиэовать и автоматизировать двухмерное геометрическое моделирование типовых и стандартных деталей, получач так называемые макропримнтивы или заготовки рабочих чертежей, а такие - при работе головной программы сборки - графические заготовки сборочного чертежа пресс-формы в виде П* пакетов типоеых и стандартных деталей пресс-формы (рис. 2), в которые в диалоговом режиме конструктор может "вставлять" спроектированные индивидуально формообразующие детали.

В ходе работы по автоматизации проектирования оснастки ЛЦД рассматривались с выделением и учетом специфических черт несколько вариантов: .

- АП пресс-форм для крупносерийного и массового производства с использованием разработанной библиотеки типовых и стандартных элементов,, насчитывающей около 50 наименований деталей;

- /Л блок-форм для серийного производства отливок, когда конструктор после отнесения, отливки к конкретной технологической груше занимается только конструированием формообразующих деталей с использованием библиотеки ГМ блок-форм и комплексных блоков;

- АП оригинальных пресс-форм.

Для каждого из вариантов были разработаны и записаны алгоритмы ЛП оснастки с последующим сравнительнкм анализом.

С целью повышения качества принимаемых проектных решений при ТПП в работе была создана методика расчета толщины стенки формообразующих вкладышей пресс-фофш ШЩ. Температурно-силовой анализ налрякенного состояния вкладышей по стадиям процесса ЛПД показал, что на этапе вццернки расплава в форле под давлением на рабочей поверхности вкладышей наблюдается максимум растягивающих суммарных напряжений, создавая условия для зарождения и развития сетки разгарных трещин. Поэтому в разработанной методика толщина стенки вкладыша рассчитывается, исходя из условия обеспечения минимума суммарных напряжений на рабочей поверхности на этом этапе цикла с учетом выявленной динамики напряжений в стенке вкладыша как толстостенного цилиндрического сосуда: •

$ = гъС*-*) (4)

Примеры графических макропримитивов

а) сборки;

б) детали "Плита кропления пеподвииная"

где Z J\i Jt)

Крел Е</ KT (Tic - Т<р)

Г^ц приведенный радиус рабочей полости; р - давление штока на работе поверхность вкладыша при ваполнешш;

jU - коэффициент поперечной деформации Пуассона; \ - теплопроводность материала вкладыша; К — коэффициент релаксации, учитывающий снижение термических напряжений при переходе материала вкладыша в рабочем слое из упругого состояния в пластическое (для стальных вкладышей при литьейЕ -сплавов 0,5*0,9); Е - модуль упругости материала вкладыша; аС - термический коэффициент линейного расширения материала вкладыша;

К"т - коэффициент теплоотдачи через стенку вкладыша; у - температура пограничного слоя (контакта "расплав - ра* бочая поверхность вкладыша1*); Т«р - температура предварительного подогрева пресо-форш. Были сформулированы основные подходы к созданию САПР ТП ЛЩ. Несмотря на специфичность конкретной САПР ТП ЛВД, к .ее разработке применим ряд положений теории и практики САПР, носящих достаточно общий характер, таких как принципы построения общего и специального программного обеспечения, формирования типовых последовательностей задач и программ, организация взаимодействия инженера и ЭШ и т.д. "

Подробно рассмотрены приншшы создания, общая характеристика и состав специализированной САПР ТП ЛЩ типа CAD, основные виды обеспечений (математическое, программное,, техническое, информационное) и перспективы дальнейшего развития системы. При этом разработанный программный комплекс для АП технологии и оснастки ЛЩ рассматривался как рабочее "ядро" будущей системы, пригодное к текущим модернизациям и наращиванию дополнительных модулей благодаря построению его по принципам"открытости, модульности и развития.

3 пятэй главе рассмотрены основные особенности практической реализации разработанных методик АП технологии ЛВД.

Был сформулирован и продемонстрирован на конкретном примере алгоритм разработки технологии отливки и оснастки ЖЩ, в рамках

- 21 -

специализированной CAD -системы.

Анализ опыта работ по освоению, опробованию и внедрению созданных методик АП технологии и оснастки ЛЦИ на ряде машиностроительных предприятий позволил выдать некоторые практические рекомендации и ^выделить две основные формы внедрения и освоения, характерные соответственно для относительно небольших предприятий с серийным производством отливок и для 1фупных предприятий'' с большой и постоянно увеличивающейся номенклатурой отливок и парком станков с W для обработки деталей пресс-форм»' Пергая форма соответствует работе с CAD-системой проектирования технологии ЛВД в раыках сети автоматизированных рабочих мест литейщиков, где на выходе получают комплект текстовой и чертежной технологической документации.' Вторая форма соответствует АП технологии и оснастки ЛЭД в составе системы типа САЗ) /САМ ЛЦД, которая в свою очередь рассматривается как один из модулей интегрированной системы автоматизированной подготовки производства на предприятии; а основным материалом на выходе здесь, выступают программы обработки деталей вресс-форм на станках с W и црог-раммн для автоматизированных модулей ЖЩ.

В заключении главы даны анализ и опенка эффективности АН технологии ЛЩ. Среди основных результатов опонки вцдеяялпсь:

- сокращение сроков проектирования до 15 pas; .

- ожидаемое повышение качества проектных решений sa счет применения новых проектных методик;

- повышение общей культуры труда проектировщиков sa счет высвобождения от рутинных работ;

- ожидаемое улучшение качества документирования.

Основным источником экономического эффекта выступает сокращение сроков проектирования технологии отливок и оснастки за счет применения новых методик, предусматривающих автоматизаштэ проектных работ с помощью персональной ЭШ.

ОБЩЕ ЗЙОДЫ

I. Проанализированы и исследованы варианты математических моделей процесса заполнения формы при ~ результате: исследования установлено, Что для практической реализации на персональной ЭЗЛ в условиях проектных и технологических подразделений предприятий наиболее пригодна аналлтико-имитапиоггп-зя модель зэг-

полнения.

2. Разработана гл.тодика компьютерного моделирования процесса заполнения формы в ЛЦД, основанная на аналитико-имитапиокноы принципе, заключающаяся в визуализации движения потока по каналам формы на экране дисплея ПЭЭ.1,. позволяющая корректировкой параметров модели управлять движением потока, применимая для отладки технологии на стадш ТИП, решения трудноформализуегжх многовариантных задач "компоновки и расположения элементов литниковой и вентиляционной систем пресс-формы и прогнозирования мест расположения вероятных дефектов типа газовых раковин, пористости к спаев для конкретно! технологической схемы.

3. Проанализированы варианты технологических режимов запол-. нения и поведения системы "расплав-газ" в каналах формы для различиях конструкций литниковых систем и кинематики прессующего порпня, математически Еыявлена сеязь между основными параметрами технологической схемы процесса ЛЦД и Еыданы рекомендации по применению конструктивных схем. для обеспечения качественного запэл-нения формы,-"

4. Разработана глетодика расчета рабочего угла встречи рассекателя с потоки.) для условий проектирования пресс-формы по прк.шипу "минимального" трения с минимальными гидродинамическими потерями при заполнении.

5.'Разработана методика совместного поверочного расчета' вентиляционной и литниковой систем пресс-формы ЛЦЦ на соответствие газовому рзетму, позволяющая на основе компьютерного моделп-ровалия заполнения решать задачи ойепяи эффективности работы компонентов вентиляционной системы, расположения, и расчета их рабочих размеров, а также рациональности применения той или иноГ, технологической схемы для обеспечения качества литья по разработанному оценочному критерию.

С. Па основе теьшературно-склоЕОГо анализа напряжений разработана методика расчета толщины стенки формообразующего рнла-дш:а пресс-формы ЛЩ, учитывающая сеязь конструкции с величинами технологических параметров проызсса.

7. Разработана, освоена и внедрена гибкая методика .'Л тех-• ологип отливки и оснастки ЛПд на базе персонально:! иглпоко инолъЕтащ";! приемы теории параметризации, компьютерной геометрии и малинной графика, метод групповой технологии и возможности информационно-поисковых систем, учитывающая специфику массо-

вого и серийного производства отливок и обеспечивающая значительное сокращение сроков ТШ и повышение культуры труда инженеров.

8. Разработаны варианты практической реализации гибкой и единой САПР технологического процесса ЛЩ, проанализированы и реализованы формы внедрения и освоения созданной методики АЛ технологии■отливки и оснастки.

9. Результаты выполненной работы позволяют:

- сократить сроки и повысить качество ТПП и, в конечном счете, получаемого литья;

- повысить производительность и культуру труда пнязнзров--проектировщиков;

- использовать созданную методику АП в работе по автоматизации ТПП других видов литья и для создания САПР литейной ориентации типа САХ> ;

- получить существенный экономический эффект.

Основное содержание диссертации и результаты опубликованы в работах:

1. Злотин С.З., Братухин В.В., Леушин И.О. Влияние давления на механизм образования пористости в литье под давлением. -

В н.-т.сб.: Управление строением отлавок и слитков,- Горький, 1Э35, с.90-95.

2. Григорьев С.П., Тимофеев Г.И., Леушин И.О. Автоматизированное конструирование отливки // Современные технологические процессы и оборудование для литья в металлические формы: Тез. докл. научно-технического семинара. - '>!., 1989, с.54-55.

3. Тимофеев Г.И., Леушн И.О. Автоматизированное проектирование металлической литейной оснастки // ЛитоГ.кое производство. - 19Э0, - !■ 5, - с.21-22.

Тпьофеев Г.И., Леушин И.О. Разработка САПР технологи:! 7. оснастки литья под давлением на базе персональных катаетеров // Разработка технологических процессов литья, проектирование оснастки и анализ качества отливок с использованием ЗЛ,': Тез. докл. научно-технической конференции. - Рыбинск, 1Э30, с.30-31.

5. Тимофеев Г.И., Леугшн И.О. Разработка технологии лггья

под давлением в рамках специализированной CAD-системы // Управление технологическими процессами литья и свойствами отливок: Тез. докл. научно-технической конференции. - M., 1990, с.19-20.

6. Тимофеев Г.И., Григорьев'С.П., Леушин И.О. Техническое обеспечение САПР и изготовления литейной оснастки // Литейное . производство. -' 1ЭЭ0, - 10, - с.29-30.

7. Тимофеев Г.И., Леушин И.О. Автоматизированное проектирование форм дай литья под давлением серийных отливок // Литейное производство. - 1990, - Я II, - с.26-28.

8. Тимофеев Г.И., Леушин И.О.,- Пащенков A.B. Автоматизированное проектирование технологии литья под давленном. - 3 н.-т. сб.: Повышение качества отливок и слитков. - п.Новгород, 1ЭЭ1,

9. Г.К., Леушин И.О., Ншценков A.B. Структура программного обосп-гтлпя G.'iIIP литылак технологий // Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-мзтая-хургпчсском производстве: Тиз. докл. научно-технической конференции. - Н.Новгород, 1991, с.92-94.

10. Леушин И.О. Проектирование вентиляционной системы пресс-формы литья под давлением // Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в лнтег1но-металлургичзском производстве: T-j3. докл. научно-технической конференции. - Н.Новгород, 1991,

с .101-103.

11. Тимофеев Г.И., Леушин И.О., Ншценков А.Б, Компьютерное моделирование процесса заполнения,формы при литье под давлением //Литейное производство. - 1991, - Л 10, - с.15-17.

12. -Тимофеев Г.И., Леушин И.О.,' Ншценков A.B. Проектировав ние технологии литья под давлением с применением системы управления базой данных.// Литейное производство, - 1991, - У» 10, -

с.22-25

с.26-27