автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и освоение методики автоматизированного проектирования технологии литья по выплавляемым моделям для мелкосерийного производства

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи АФАНАСЬЕВ АНДРЕЙ ПЕТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ДЛЯ МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тимофеев Г.И.

Нижний Новгород -1999

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

1. Состояние вопроса и задачи исследования.............................. 7

1.1 Системы автоматизированного проектирования технологического процесса литейного производства............................. 7

1.2 Анализ литниково-питающих систем ЛВМ и методов их расчетов............................................................................ 25

Выводы................................................................................... 41

Задачи исследования............................................................... 43

2. Тепловая модель и программа охлаждения металла в

процессе заполнения и затвердевания................................... 45

2.1 Предпосылки построения математической модели.................. 45

2.2 Математическое построение модели процесса охлаждения

и затвердевания металла в форме......................................... 49

2.3 Компьютерная программа модели процесса охлаждения металла в форме во время заполнения................................. 60

2.4 Экспериментальная проверка модели охлаждения металла

во время заполнения на соответствие реальным условиям..... 71 Выводы................................................................................... 74

3. Математическая модель гидродинамических процессов

в литейной форме при технологическом процессе литья по выплавляемым моделям.................................................... 75

3.1 Особенности заполнения при разных типах литниково-питающих систем в литье по выплавляемым моделям............ 76

3.2 Математическая модель процесса заполнения формы металлом........................................................................... 86

3.2.1 Преобразование уравнений Навье-Стокса в конечно-

разностную форму............................................................ 87

3.3 Программное обеспечение гидродинамической модели........... 100

3.4 Работа гидродинамической и тепловой моделей в составе математической модели течения и охлаждения расплавленного металла в каналах литейной формы............. 104

Выводы................................................................................... 121

4. Методика расчета литниково-питающих систем для основных классов отливок на основе моделирования.............................. 122

4.1 Анализ и классификация отливок получаемых ЛВМ................. 122

4.2 Результаты обработки производственных данных и данных математического моделирования.......................................... 132

4.3 Производственное опробование............................................ 160

Выводы................................................................................... 166

5. Особенности применения методик автоматизированного проектирования литниково-питающих систем и экономическая эффективность.................................................................... 167

5.1 Параметрическое проектирование литейной технологии применительно к расчету литниково-питающих систем ЛВМ..... 169

5.2 Программа автоматизированного проектирования и расчета ЛПС на основе математической модели процесса течения и затвердевания металла, а также производственного опыта....... 171

5.3 Основные положения системы автоматизированного параметрического проектирования литниково-питающих систем для литья по выплавляемым моделям......................... 176

5.3.1 Общая компоновочная схема системы автоматизированного

параметрического проектирования...................................... 176

5.3.2 Разработка базового информационного фонда..................... 182

5.3.3 Функциональная схема параметрической системы автоматизированного проектирования технологии ЛВМ......... 185

5.4 Экономическая эффективность применения методики

191

автоматизированного проектирования...................................

Выводы................................................................................... 193

Библиографический список....................................................... 194

Приложения............................................................................. 203

Введение

Мелкосерийное производство отливок методом литья по выплавляемым моделям широко распространено в авиационной промышленности., приборостроении и др. В условиях производства отливок методом литья по выплавляемым моделям мелкосерийное производство требует особенно тщательной подготовки, т.к. любые ошибки на стадии проектирования и ввода отливки в серию приводят к удорожанию конечной продукции и нерентабельности производства.

Проблема точного расчета параметров литниково-питающей системы весьма важна, также важно и то, что в методе расчета должен отсутствовать субъективный фактор, и любой технолог (молодой или опытный) имел возможность быстро и качественно сделать свою работу.

Процесс пуска отливки в серию сопровождается значительными материально-техническими и временными затратами на расчет изготовление и доводку оснастки, отливку пробной партии. При этом неправильно рассчитанные параметры литниково-питающей системы приводят к многочисленным переделкам оснастки, потерям основных и вспомогательных материалов, электроэнергии, металла и т.д.

Отсутствие единых методик расчета приводит к невозможности передачи технологических разработок между смежными предприятиями, а также к невозможности создания автоматизированных систем расчета проектирования параметров литниково-питающих систем, которые позволили бы значительно ускорить ввод отливки в серию, уменьшить технологические затраты при этом.

В связи с вышеизложенным, особую актуальность имеет разработка методики точного расчета литниково-питающих систем на основе системы автоматизированного проектирования, способного

адаптироваться к различиям условиям производства, исключить ошибки технолога в процессе расчета, освободить технолога от рутинных операций изготовления и заполнения соответствующей документации, тем самым обеспечить экономию материально-технических ресурсов и эффективность производства.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Тепловая модель охлаждения и затвердевания металла в процессе заполнения и после заполнения форме.

2. Математическая модель гидродинамических процессов в литейной форме, специфичной для литья по выплавляемым моделям.

3. Методика расчета литниково-питающих систем учитывающую специфику мелкосерийного и серийного производства. Методика предусматривает автоматизированное проектирование литниково-питающих систем с использованием математического моделирования, которое базируется на фундаментальных положениях теории теплопередачи и гидродинамики, использует численные методы решения задач.

4. Ускоренный инженерный метод расчета основных параметров литниково-питающих систем. Метод основан на применении эмпирических формул полученных в результате анализа производственных данных и данных моделирования. Несмотря на простоту данный метод имеет высокую точность.

Глава 1

Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Системы автоматизированного проектирования технологического процесса литейного производства

"Необходимость автоматизации технологического процесса производства (ТПП) в настоящее время не вызывает сомнений, так как при этом сокращаются затраты времени и труда. Особенно велика доля затрат на ТПП на машиностроительных предприятиях с мелкосерийным характером производства [1].

Затраты на проектирование и изготовление технологической оснастки составляют 70...80% всех затрат на ТПП, а себестоимость изготовления и эксплуатации оснастки превышает себестоимость одной тонны отливок. Цикл "проектирование - конструирование -изготовление оснастки" является наиболее "узким" местом ТПП [2].

Автоматизация проектирования реализуется с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР - это разумное сочетание возможностей человека и ЭВМ, где пользователь выполняет неформализованные и, возможно, неформал изуемые операции, требующие интеллектуальных способностей, а ЭВМ поручаются задачи, требующие высокой скорости вычислений, визуального отображения информации и запоминания больших объемов данных. В результате такого гармоничного взаимодействия эффективность проектирования в САПР оказывается большей, чем сумма эффектов работы человека и ЭВМ в отдельности [3].

Под автоматизированной системой (АС) ТПП понимают САПР или подсистему САПР, в которой решаются задачи проектирования

технологических процессов, оснастки, инструмента и специального технологического оборудования [4].

Целью внедрения АС ТПП является получение экономического и социального эффекта за счет:

- экономии времени на разработку проекта;

- оптимизации технологических решений;

- повышения качества разработок;

- интелектуализации труда.

При этом достигается экономия времени за счет:

- типизации технологических решений, обеспечивающих высокую степень автоматизации синтеза технологических схем;

- использования ЭВМ и для автоматизации трудоемких операций, например при выдаче графической и текстовой документации;

- за счет оптимизации технологических решений;

- сведение к минимуму возможности принятия ошибочных решений, влекущих за собой временные и материальные затраты.

Оптимизация проектных решений основывается на:

- использовании методов компьютерного моделирования литейных процессов;

- накоплении и систематизации рациональных решений для последующего использования в качестве типовых.

Качество разработок повышается за счет:

- отсутствия субъективных ошибок при высокой степени автоматизации разработок;

- высокой точности производимых расчетов;

высокой точности и качества процесса оформления документации.

Процесс интелектуализации заключается:

в устранении рутинных частоповторяющихся операций занимающих интеллектуально - продуктивное время технолога;

- в возможности производить компьютерные эксперименты для исследования литейных процессов;

- в возможности быстро получить статистическую информацию о браке или возможных типовых решениях;

- в повышении общего уровня квалификации технолога.

Для осуществления автоматизированного проектирования необходимо соответствующее техническое обеспечение. По функциональному назначению можно выделить следующие группы технических средств:

- подготовки и ввода данных;

- передачи данных;

- программной обработки данных;

- отображения и документирования данных;

- архивации проектных данных;

- устройства с ЧПУ [5].

В связи с быстрым снижением стоимости вычислительных систем, миниЭВМ и микропроцессоров и повышением их эксплуатационных характеристик значительно расширилась сфера применения ЭВМ для решения задач управления и проектирования. Особенно большое распространение получили персональные ЭВМ (ПЭВМ). Они имеют относительно низкую стоимость и удобны в эксплуатации [6].

В литейном производстве САПР ТП, развивается в основном по следующим основным направлениям: расчет литниково-питающих и вентиляционных систем, конструирование отливки и проектирование оснастки, моделирование теплового и напряженного состояния отливки

и формы, расчет шихты, расчет режимов плавки, выбор технологического оборудования.

Можно выделить следующие основные задачи САПР литейных процессов [7]:

- охват большей части номенклатуры отливок предприятия (обычно это отливки несложной конфигурации, которые можно классифицировать по конструктивно-технологическим признакам, и для выделенных классов отливок разработать типовые и групповые технологические процессы);

- возможность обеспечить проектирование (ТП) для отливок высокой категории сложности;

- выполнение основной части проектных работ в диалоговом

режиме;

должна быть обеспечена предельная завершенность автоматизации проектирования.

На современном этапе САПР ТП ЯП развивается по трем основным направлениям:

- принятие типовых и групповых проектных решений;

- математическое моделирование литейных процессов;

- оптимизация проектных решений;

Под типовым проектным решением (ТПР) понимается полностью отработанное существующее проектное решение, используемое при проектировании [8].

Типизация проектных решений базируется на конструктивно-технологической классификации отливок, позволяющей создавать и выделять группы отливок, для которых можно применять конкретное ТПР [9].

Процесс принятия ТПР может осуществляться по методике [10] состоящей из следующих основных этапов:

1) поиск аналогичной апробированной технологии;

2) поиск решений с помощью алгоритмов распознавания;

3) выбор оптимального варианта технологического решения с помощью алгоритма оценки.

Эффективная автоматизация инженерного труда технолога-литейщика базируется на использовании трех основных принципов построения и функционирования рассматриваемых систем: информатики, моделирования, оптимизации [11].

Считается [12], что при создании САПР ТП целесообразно использование специального программного обеспечения, реализующего эффективную обработку и хранение информации - систем управления базами данных (СУБД). Система, созданная с использованием средств СУБД, может эффективно применятся как единая интегрированная САПР литейных технологий.

В статье [13] описывается разработанная информационно-поисковая система (ИПС) на базе ЭВМ, ускоряющая поиск необходимой информации при проектировании ТП.

Базовый набор систем в рамках общей программной оболочки включает следующие модули систем:

- информационно-поисковой;

- типового проектирования;

- инженерных расчетов;

- геометрического моделирования;

- численного моделирования литейных процессов;

- диагностики качества отливок и формирования текстовой и графической документации. Модули могут работать автономно и как единая система, приобретая при этом существенно новые функции.

Традиционная система проектирования ТП литья представлена на рисунке 1.1 и состоит из трех основных этапов:

- подготовительный этап;

- разработка ТП;

- создание технологического проекта;

В подготовительном этапе происходит тщательное изучение назначения детали, технологических требований к ней при изготовлении и эксплуатации. Выявляются дополнительные резервы улучшения технологичности конструкции. Окончательно выбирается вид литья или его модификация применительно к технологическим условиям данной детали, литейным свойствам сплава, конкретным условиям производства.

При разработке ТП выдаются технологические указания, необходимые для проектирования основной и вспомогательной литейной оснастки, рассчитываются окончательные размеры ЛПС. Подбирается оборудование для всего цикла изготовления отливки, включая операции контроля и предъявления годной отливки ОТК.

На заключительном этапе происходит создание технологического проекта. Технологический проект - совокупность графической и текстовой документации, однозначно определяющей ТП производства отливки.

Блок-схема проектирования литейной технологии с использованием программных средств интегрированной САПР представлена на рисунке 1.2 [11]. Показанные этапы проектирования и

Конструк. чертеж] детали

Возможные

изменения

конструкции

1

Анализ чертежа

Способ литья

Назначение детали

Технические и технологические требования при изготов. и эксплуатации

Разработка технологического процесса

Технич. указания для проектир. вспомогательной оснастки

Технич. указания для проектир. основной лит. оснастки

Анализ технологичности конструкции детали

Серийность производства

Условия производства

Технологич.

параметры

процесса

_ темпир.

Время

Оборудование

Размеры опок

Подмод. плиты

Шаблоны

Стержн. каракасы

Груз

Жеребейки

Технологический проект

Положение в форме

Поверхность разема

Припуски на М/О

Технологич. напуски и холодильники

Размещ. и

тип прибыли

Уклоны

Количество и конфигурация стержней

Место

подвода

металла

Тип ЛПС)

Оптимиз.

технологич.

параметров

Графическая документация

Чертеж элемент, литейной формы

Чертеж

литейной

заготовки

Чертеж

литейной

оснастки

Вспомогат. чертежи

Карты эскизов

Текстовая документация

Карта

технологич. информ.

Маршрут, карта

Операц. карта

Ведомость

технологич.

документов

Ведомость

технологич.

процессов

Ведомость стержней

Технологич. инструкции

Рис.1.1 Этапы проектирования и структура технологического проекта

Поиск

типовой

детали

Проектирование

типовой

технологии

Задание на проектирование литой детали

Поиск детали аналога

Редактирование

техпроцесса -

аналога

Корректировка технологичсеких параметров

Генерация эскизного варианта технологии

Технологические расчеты

Численное моделирование технологии

Оценка результатов

Формирование технологи ческой документации

/Архивация проц�