автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса литья по выплавляемым моделям лопаток ГТД на основе использования методов статистического анализа

На правах рукописи

?Г8 ОП / 6 ШОП 1993

Клементьева Наталья Алексеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ЛОПАТОК ГТД НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск -1998 г.

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и литейное производство Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Жуков A.A. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Шатульский A.A.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лебедев П.В. кандидат технических наук Калюкин Ю. Н.

Ведущее предприятие: Производственное объединение "СЕВМАШ"

Защита состоится 1 июля 1998 г. в -/Я °° на заседании

диссертационного совета К 064.42.02 Рыбинской государственной авиационной те; нологической академии.

Адрес: 152934, г. Рыбинск Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, РГАТА. Тел. (0855) 520290. Факс (0855) 528688.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАТА. Автореферат разослан / &&. 1998 г.

г. Северодвинск Архангельской области

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванов Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование авиационных двигателей, повышение их мощности, эксплуатационной надежности, экономичности и увеличение ресурса в значительной степени определяется качеством и эксплуатационными характеристиками наиболее важных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) - лопаток, которые изготовляются из жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ).

На лопатках, отливаемых в электрокорундовые керамические формы, обнаруживается более десяти различных видов дефектов. Правильная идентификация основных литейных дефектов, причин, определяющих их появление, является трудноформализуемой задачей. Поэтому проблема повышения качества лопаток ГТД является многоплановой и требует комплексного подхода. Одним из эффективных направлений решения данной проблемы является сочетание традиционных методов физико-химического анализа с современными методами статистического анализа, математического моделирования, оптимизации и управления с использованием ЭВМ. Следует отметить, что необходимость сочетания организационно-технических мероприятий и статистических методов контроля в системе управления качеством продукции регламентирована стандартами ИСО 9000.

Таким образом, учитывая высокие требования к качеству лопаток, значительную трудоемкость, энергоемкость, себестоимость ЛВМ, а также современные экономические условия формирования конкурентной среды и выход российских предприятий на мировой рынок, проблема обеспечения высокого качества лопаток ГТД, совершенствования технологии их изготовления в современных рыночных условиях является весьма актуальной и имеет первостепенное значение.

Целью работы является разработка организационно-технических мероприятий по управлению качеством лопаток ГТД.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- проведение анализа существующего технологического процесса получения отливок "лопатка ГТД" на всех его стадиях;

- выявление зависимости видов дефектов от типоразмера лопатки;

- расчет статистических показателей качества (уровня дефектности, вероятности появления того или иного вида брака);

- определение наиболее значимых конструктивных, технологических, организационных и других сопутствующих факторов, влияющих на качество лопаток;

- установление причин появления основных видов брака, разработка организационно-технических мероприятий, направленных на повышение качества лопаток ГТД, информационного и программного обеспечения автоматизи рованной системы учета и анализа брака лопаток ГТД.

Методы исследования включали в себя основные положения системногс анализа и математической статистики, изучение физико-механических свойств электронную микроскопию, физическое моделирование, термодинамические анализ.

Научная новизна. 1) Разработан системный подход к идентификации основных видов брака и причин их появления. 2) Впервые показана возможность использования критерия Аббе для оценки влияния климатических условий на уровень брака. Выявлено влияние относительной влажности на качество керамических форм. Методом экспертных оценок определены наиболее значимые причины брака лопаток. 3) Проведен термодинамический расчет механизма образования дефектов в лопатках, получаемых методом ЛВМ. 4) Установлены аналитические зависимости прочности керамических форм от вязкость суспензии и параметров вакуумно-аммиачной сушки.

Практическая значимость. Разработана усовершенствованная конструкция литниково-питающей системы (ЛПС), обеспечивающая оптимальные условия заливки и кристаллизации. Разработан способ удаления модельной массы из форм, обеспечивающий более качественную очистку форм от остатков модельного состава. Определены оптимальные значения параметров режимов вакуумно-аммиачной сушки керамических форм.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы прошли промышленное опробование и внедрены в ОАО "Рыбинские моторы" с экономическим эффектом 412,3 тыс. руб. в ценах 1990 г., а также используются в учебном процессе.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций различного уровня.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-

ния, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 110 наименований, и приложений; содержит 215 страниц машинописного текста, 57 таблиц, 74 рисунка.

Основное содержание работы

Для выявления большого разнообразия литейных дефектов при производстве лопаток ГТД методом ЛВМ используется более 30 методов технического контроля. Основное назначение используемых методов контроля - это проверка качества исходных материалов в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, предупреждение нарушений параметров технологического процесса и обеспечение выявления литейных дефектов в отливках. При этом результаты контроля носят чисто регистрационный характер и не объединены в общую систему управления качеством в соответствии с принципом обратной связи. Эффективная многоуровневая система контроля и управления качеством может быть разработана только на основе комплексного использования методов статистического анализа и физико-химических исследований.

Анализ литейных дефектов лопаток и выявление причин их появления

Для выявления основных причин брака лопаток и разработки мероприятий по их устранению был проведен сбор данных по браку для десяти типоразмеров лопаток рабочей турбины и соплового аппарата за пятилетний период с 1988 по 1992 гг. Исходный массив данных содержал наименование отливки, год ее выпуска, вид литья, процентное содержание дефектов в отливке по месяцам года, доли литейных дефектов, обнаруженных в литейном и механическом цехах.

Первичная статистическая обработка исходного массива данных по браку лопаток заключалась.в расчете характеристик положения, рассеяния, вероятности появления того или иного вида брака и др. Структурирование исходных данных осуществлялось с помощью диаграмм Парето,;которые дают наглядную информацию о распределении дефектов для каждого типоразмера отливок и о вкладе каждого вида дефектов в общий уровень брака.; Построение диаграмм Парето совмещено с АВС-анализом, в соответствии с которым все дефекты были распределены на три группы: группа А - наиболее опасные де-

фекты, определяющие 75 % всего брака лопаток данного типоразмера; группа В - преобладающие дефекты, составляющие 20 % общего брака; группа С - все остальные дефекты, вклад которых не превышает 5 % от общего брака. Для всех лопаток в группу А вошли засор, окисная плена, шлаковые включения, а для лопаток 1, 2 ступеней рабочей турбины также пробой, тонкая стенка, слом стержня; в группу В - дефект модели, рыхлота, отслоение, провал геометрии, а для сопловых лопаток, кроме того, свечение.

Таким образом, впервые предпринята попытка использования статистической обработки данных - диаграмм Парето для структурирования исходной информации по браку лопаток различных типоразмеров по виду дефекта и по типоразмеру лопатки. Это позволило выявить группу наиболее значимых дефектов как для всей номенклатуры лопаток, так и по отдельным ее позициям. С помощью полученных результатов можно прогнозировать склонность лопаток к различным видам дефектов.

С учетом особенностей технологии получения лопаток (разнообразие применяемых материалов, сложность физико-химических процессов в системе "отливка-форма" и др.) и влияния ряда нерегулируемых сопутствующих факторов (климатические условия, цеховая атмосфера, длительность производственного цикла) была впервые проведена проверка исходного массива данных по браку лопаток на стохастическую независимость с использованием критерия Аббе. В результате проверки гипотеза о стохастической независимости данных по браку лопаток для ряда дефектов не подтвердилась. Ими оказались шлаковые включения, отслоение для всех лопаток, свечение - для сопловых лопаток, для некоторых лопаток - окисная плена, провал геометрии, а для рабочей лопатки 1 ступени - тонкая стенка, пробой, рыхлота.

Циклический характер появления некоторых дефектов позволил выдвинуть предположение о влиянии климатических условий изготовления и хранения керамических форм на уровень брака лопаток. Для проверки влияния относительной влажности окружающей среды на прочность форм образцы форм были помещены в эксикаторы с влажностью воздуха 40, 60 и 80 %, где выдерживались в течение десяти суток. Было установлено, что максимальную прочность имели образцы, хранившиеся при относительной влажности воздуха в эксикаторе 60-70 %.

Для объяснения этого факта были исследованы физические и химические

превращения в сухих и сырых образцах керамических форм. За сухие были приняты формы, выдержанные в течение десяти суток в атмосфере с относительной влажностью не более 40 %, за сырые - выдержанные в течение такого же времени в атмосфере с влажностью не менее 80 %. Для исследования использовался дериватографический анализ (ДТА) на дериватографе (}1500 при скорости нагрева 5 град/мин. В результате были выявлены четыре характерных процесса, протекающих в керамических формах при нагреве их до 1000 °С: испарение гигроскопической влаги, испарение конституционной влаги при дегидратации глинозема, испарение конституционной влаги при дегидратации связующего формы, выделение вещества, отсутствующего в сухом образце. Причем следует отметить, что тепловые эффекты перечисленных процессов на 20-30 % меньше в сухом образце, чем в сыром, что свидетельствует о различиях в концентрациях указанных видов влаги.

Таким образом, установлено, что при хранении керамических форм при повышенной или пониженной влажности в них происходят различные физико-химические процессы, которые вызывают снижение прочности форм и служат причиной образования таких дефектов, как засор, шлаковые включения, окис-ная плена, отслоение, пробой формы, провал геометрии, свечение.

С целью выявления статистической зависимости между относительной влажностью окружающей среды и уровнем брака отливок была построена диаграмма "относительная влажность среды - среднемесячный процент брака" для таких наиболее "неслучайных" дефектов, как отслоение, шлаковые включения и кривая относительной влажности атмосферного воздуха за один и тот же период времени - 5 лет с 1988 по 1992 гг. В результате их сравнения выявлен факт снижения уровня брака по указанным дефектам в месяцы с относительной влажностью воздуха от 60 до 70 %. При этом коэффициент корреляционной взаимосвязи составляет 0,62-0,78 при наличии временного лага от 1 до 3 месяцев, что обусловлено сроком хранения керамических форм.

Производственный опыт показывает, что уровень брака во многом определяется размером лопатки, особенностями ее геометрии и, как следствие, конструкцией ЛПС. Для изучения взаимосвязи вида брака с номером ступени, для которой предназначена лопатка, были построены диаграммы "номер ступени -уровень брака". Выявлено, что :

- общий уровень брака для рабочих лопаток несколько выше, чем для со-

пловых (на 10-15 %);

- для рабочих лопаток имеет место экстремальная зависимость от номера ступени дефекта "рыхлота" и монотонная зависимость дефектов "окисная плена", "шлаковые включения", а для 1 ступени - "пробой формы".

Для сопловых лопаток какие-либо зависимости между размерами отливки, типом ЛПС и видами брака отсутствуют.

Для конкретизации влияния ЛПС на дефектность отливок был проведен расчет процесса заполнения формы металлом и температуры фронта потока. Расчет проводился по разработанной на кафедре материаловедения и литейного производства Рыбинской государственной авиационной технологической академии методике, которая включает в себя определение объема металла, выливающегося из тигля порционной индукционной плавильно-заливочной установки при заливке блока отливок, скорости движения расплава в различных элементах ЛПС и отливки при ее заполнении, описание процесса нарастания корочки затвердевшего металла на поверхности формы, т.е. изменение площади сечения канала литейной формы при прохождении по нему расплава, а также описание процесса охлаждения фронта головной части потока в каналах ЛПС и отливки.

Анализ расчетных параметров позволяет сделать следующие выводы:

1) Склонность отливок рабочей лопатки 1 и 6 ступеней к образованию дефекта "рыхлота" объясняется снижением температуры фронта потока при заполнении пера лопатки до температуры ниже температуры ликвидуса сплава, что приводит к остановке фронта потока и комбинированному (сверху и снизу) заполнению полости формы расплавом и, как следствие, к появлению пористости вблизи места сварки потоков.

2) По отношению средней толщины пера лопатки к ее длине можно определить вероятность возникновения рыхлоты (при значениях данного отношения менее 0,02 образование рыхлоты вполне вероятно).

3) Окисная плена и шлаковые включения более вероятны в том случае, когда скорость движения металла при заполнении полости пера лопатки становится выше некоторого критического значения, равного 0,03 м/с.

На основе проведенного анализа видов брака были разработаны анкеты для метода экспертного оценивания причин его появления. Подбор экспертоЕ осуществлялся на основе как документального метода, так и их самооценки.

которая выражается коэффициентом компетентности. В качестве экспертов были привлечены специалисты в области литья лопаток ОАО "Рыбинские моторы" и кафедры МиЛП РГАТА. Средний коэффициент компетентности экспертов 0,8. Экспертам предлагалось проранжировать возможные причины появления тех или иных дефектов в порядке убывания их значимости. Информация, полученная от экспертов, представлялась в виде матрицы рангов по конкретному дефекту.

Мнения экспертов были математически обработаны путем расчета коэффициентов конкордации (согласия) Кендалла, значимость которых оценивалась с помощью критерия Пирсона. Мнения экспертов считаются согласованными при значениях коэффициента конкордации 0,6 и выше. В опросе участвовало 11 экспертов. Влияние фактора на образование того или иного дефекта тем выше, чем меньше сумма мест, полученная фактором при опросе. Например, для дефекта "засор" наименьшая сумма мест (19) у первого фактора, т.е. наиболее вероятно образование засора при нарушении режимов вакуумно-аммиачной сушки формы. На второе место эксперты поставили условия хранения и подготовки формы к заливке (сумма рангов 22). На третье место - конструкцию ЛПС (сумма рангов 27). Коэффициент конкордации 0,8. При ранжировании причин появления всех остальных дефектов согласованность экспертов вполне удовлетворительная (коэффициент конкордации в пределах 0,6-0,8). Общее мнение экспертов по определению и ранжированию наиболее вероятных причин возникновения рассматриваемых дефектов приведено в таблице 1. Из этой таблицы следует, что основные причины возникновения дефектов можно разбить на три группы:

1) Низкое качество формы, обусловленное нарушениями'и неоптимальными режимами вакуумно-аммиачной сушки и вымочки форм.

2) Условия хранения и подготовки форм к заливке, а также нарушения технологических режимов по температуре и влажности в производственных помещениях.

3) Конструкция ЛПС, не обеспечивающая эффективное питание отливки и шлакоулавливание.

Таким образом, в результате проведенного анализа выявлены наиболее опасные и преобладающие дефекты для лопаток различных типоразмеров, а также установлены основные причины их появления.

Таблица 1

Основные причины и их вклад в появление дефектов (%)

Наименование дефекта Нарушение режимов ва-куумно-аммиачной сушки Условия хранения и подготовки формы к заливке Недостаточная глубина вакуума Неочищенные шихтовые материалы Повышенное содержание возврата в шихте Конструкция ЛПС Состав модельной массы Условия хранения моделей Нарушение параметров по ' температуре и влажности в произв. помещении | Перегрев металла

Засор 28,5 26,7 23,6

Окисная плена 39,0 34,5

Шлак, вклю- 25,9 20,7 28,9

чения

Дефект модели 48,5 31,8

Отслоение 39,0 28,3

Рыхлота 43,3 35,0

Изучение механизма образования поверхностных дефектов

Изучение механизма образования поверхностных дефектов проведено с помощью термодинамического анализа взаимодействия расплава с материалом формы, остатками модельного состава и газовой фазой печи в процессе заливки и охлаждения формы.

Для оценки возможности протекания реакций окисления сплава и образования нитридов в системе "сплав-газовая фаза печи" были рассчитаны равновесные давления кислорода и азота в реакциях с А1, Т1, Б!, №. По результатам расчетов при сравнении их с фактическими давлениями кислорода и азота в печи был сделан вывод о том, что в первую очередь окисляться будут А1, Т1, Б!, что может привести к образованию плен. Нитриды титана будут образовываться, если вакуум в печи будет менее 10"2 мм рт.ст. (1,33 Па).

При взаимодействии с формой самого химически активного компонента сплава возможны следующие реакции:

2 [А1] + ЗБЮ;, = А1203 + ЗБЮглз, ДС>= 817300 - 787,2 Т,

4 [А1] + А1203 = 3 А120Газ, АСт= 409640 - 210 Т. Были рассчитаны равновесные давления субоксидов алюминия и кремния при' различных температурах. Так, при температуре заливки Т = 1833 К Рвю — 3,6 МПа, реакция образования субоксида кремния будет интенсивно протекать, в то ' время как

Рд12о = 0,017 Па меньше остаточного давления в печи (0,13-13,0 Па) и реакция : образования субоксида алюминия в области заданных температур Т < Тзал протекать не будет. Образующийся при реакции взаимодействия А1 и 5Ю2 субоксид кремния способствует появлению газовых раковин и пористости в теле отливки. Далее субоксид кремния будет распадаться по реакции:

28Югдз= §Ю2Т + Б ¿ж, Д<_?° = - 712174 + 50064 Т.

Давление образующегося газообразного кремния Ря = 5,8-Ю"11 Па. Упругость пара кремния для процесса 81ж = Б^дз Р°$, = 0,27 Па. Таким образом, выделяющийся кремний будет находиться в газообразном состоянии. При охлаждении отливки и формы процесс взаимодействия изменяется. При Т = 500 К давление субоксида кремния при непрерывной откачке газов из печи равно их остаточному давлению. Давление газообразного кремния при Т = 500 К Ря = 1061 МПа, упругость пара кремния при этой температуре = 3,8Па. Таким образом, по мере охлаждения происходит конденсация кремния из газовой фазы в микропорах и на поверхности отливки. При этом возможно его окисление. Взаимодействие конденсированного кремния с азотом газовой атмосферы печи приводит к образованию нитрида кремния на поверхности и в порах отливки. С понижением температуры будет происходить конденсация субоксида кремния. Упругость пара для процесса

БЮТ = БЮгаз. А<3;= 321860- 155 Т,

при температуре Т = 1800 К Р°я = 5,8-103 Па, для Т = 500 К = 2,8-10"2' Па.

Итак, в результате взаимодействия в системе "сплав-форма" будут образовываться газообразные и конденсированные продукты: кремний, его оксид, субоксид и нитрид. Они способствуют образованию газовых раковин и пористости и находятся в них в конденсированном состоянии до окончания охлаждения отливки. '

Поскольку директивная технология удаления модельного состава из формы не обеспечивает его полного удаления, то возможно взаимодействие остатков модельного состава с формой и сплавом. Во время прокалки формы

происходит нагрев модельной массы до С = 950 °С без доступа воздуха, т.е. ее коксование. Образовавшиеся скопления чистого графита вступают во взаимодействие с 57С>2 дистенсиллиманита формы

С + БЮ2 = СО + БЮгаз, А700023 - 440,2 Т, и эта реакция также является источником образования субоксида кремния. Кремний и титан будут реагировать с углеродом с образованием карбидов ¿7 и Тх на поверхности и в порах отливки.

Таким образом, результаты расчетов позволили представить механизм образования некоторых дефектов следующим образом. При взаимодействии в системе "сплав-газовая фаза печи" образуются оксиды А1, Д 5/ и нитрид титана. При взаимодействии сплава с формой образуется субоксид кремния, способствующий возникновению газовых раковин и пор на поверхности и в теле отливки. Последующее разложение субоксида кремния в процессе охлаждения отливки приводит к образованию газообразных и конденсированных продуктов: кремния, его оксида, нитрида и субоксида, которые также являются причиной возникновения газовых раковин и пор, где указанные продукты находятся в конденсированном состоянии до окончания охлаждения отливки. В результате коксования модельной массы при прокалке происходит образование графита, который взаимодействует с формой и сплавом и является причиной появления субоксида кремния, и карбидов кремния и титана на поверхности и в порах отливки.

Усовершенствование конструкции ЛПС

Дефекты, отнесенные к группе А (см. выше), являются наиболее опасными и характерны для всех типоразмеров лопаток. Эти дефекты возникают на стадии заполнения формы расплавом и, следовательно, обусловлены конструкцией ЛПС.

Для выяснения причин возникновения этих дефектов был проведен анализ типов и конструкций ЛПС, применяющихся на предприятиях отрасли (ОАО "Рыбинские моторы", заводы "Моторостроитель", г. Запорожье, "Салют", г. Москва, завод турбинных лопаток, г. Санкт-Петербург). Проведенный анализ показал, что все ЛПС могут быть разделены на три группы: 1) ЛПС с двумя горизонтальными литниковыми ходами различной формы и размеров, питающими два массивных узла отливки; 2) ЛПС с одним горизонтальным литниковым ходом, питающим один массивный узел отливки; 3) ЛПС с нижним литнико-

вым ходом, питающим нижний массивный узел отливки, и верхней индивидуальной прибылью для питания верхнего массивного узла. Несмотря на существенные конструктивные отличия, все ЛПС имеют общий недостаток. Они пло-. хо задерживают неметаллические включения, что, собственно, и является причиной возникновения подобного рода дефектов. Обусловлен этот недостаток отсутствием в конструкции специальных шлакоулавливающих элементов.

Анализ данных рентгеновского и ЛЮМ-контроля, проведенный на партии в 2000 лопаток, отлитых с применением ЛПС первого типа в ОАО "Рыбинские моторы", показал, что скопления дефектов чаще всего наблюдаются вблизи бандажной полки и под замком, т.е. вдоль входящей струи в зоне возвратного течения расплава у нижнего и верхнего питателей, а также по линии, проходящей через перо лопатки на стыке двух потоков. Эти факты позволили сделать вывод, что при использовании таких ЛПС заполнение полости формы идет одновременно снизу и сверху. Попутно было выявлено, что в зонах расположения неметаллических включений наблюдается дефект типа "рыхлота", причиной возникновения которого, как известно, является неэффективная работа такого элемента ЛПС, как прибыль.

Для устранения причин появления рассматриваемых дефектов была разработана ЛПС, отличительной особенностью которой является наличие литникового хода, выполненного в форме центрифугирующего элемента со шлакос-борником в верхней части. Под действием центробежных сил неметаллические включения оттесняются к внутренней поверхности литникового хода, затем сбрасываются в шлакосборник, предусмотренный в его верхней части. Шла-косборник одновременно выполняет и роль прибыли, питающей нижний массивный узел отливки. Для питания верхнего массивного узла каждой отливки дополнительно предусматривается своя прибыль. На основе положений гидродинамики движения жидкости в криволинейных каналах выполнен расчет конструктивных параметров ЛПС. Опробование предлагаемой ЛПС в производственных условиях показало, что ее внедрение позволяет снизить общий уровень брака на 10-15 %, при этом в среднем на 20 % уменьшается масса блоков и более, чем на четверть увеличивается коэффициент использования металла.

Оптимизация режимов вакуумно-аммначиой сушки

Как было показано выше, другим, не менее важным фактором, влияю-

щим на качество отливок, является прочность форм. В свою очередь прочность в значительной степени обеспечивается на стадии вакуумно-аммиачной сушки. При этом наиболее значимыми ее параметрами считаются давление в, камере сушки Рв и длительность вавуумирования т„, давление аммиака РА и длительность аммиачной обработки тА, а также вязкость суспензии Г|.

Для установления совокупного влияния основных технологических параметров сушки на прочность форм использовались математические методы планирования экспериментов с последующей обработкой экспериментальных данных с использованием пакета прикладных программ "Statistika". В результате первой серии опытов получены уравнения регрессии для оценки прочности форм в зависимости от вышеперечисленных параметров, по которым, однако, не удалось выявить оптимальные режимы сушки. Для повышения статистической значимости модели были подобраны комплексы технологических параметров, проверка которых с помощью коэффициента корреляции показала, что наибольшую значимость имеет критерий | Рл^А

Л Л

характеризующий интенсивность сушки. В результате -использования комплексного фактора PTV ьо второй серии опытов получены адекватные регрессионные модели, позволяющие выявить области максимальных значений а и: аи = 0,08 + 0,6х - 0,07х2 + 0,03х3 + 5,65-10"V, длят1 = 35с; ст„ = 0,025 + 0,1 Их - 0.01*2 -1,27-10V, для = 17 с,

где х = PTV.

Максимальная прочность достигается при значении PTV= 14 (для г| = 17 с) и РГУ= 7,5 (для 35 с).

В результате проведенных исследований и расчетов по полученным уравнениям рекомендуется время вакуумно-амиачной сушки, а именно, длительность вакуумирования и аммиачной обработки, выдерживать на уровне 6-7 минут, т.е. на минимальном, регламентированном отраслевым стандартом.

Совершенствование процесса удаления модельного состава из форм

В настоящей работе установлено, что исходными компонентами для образования неметаллических включений являются, главным образом, продукты взаимодействия расплава с неудаленными остатками модельного состава и ма-

териалом формы.

Для установления причин и степени полноты удаления модельной массы из форм было проведено моделирование производственной технологии процесса вымочки, в результате чего выяснилось, что циркуляция воды в полости формы практически отсутствует, а удаление модельного состава из тонких, труднодоступных частей формы затруднено и происходит в последнюю очередь. Недостаточная циркуляция воды в оболочке способствует, кроме того, загрязнению формы, что служит причиной образования ряда дефектов, таких как засор, шлаковые включения, окисные плены, свечение и других. Появление неметаллических включений в теле отливки связано также с разупрочнением формы в процессе растворения карбамидной модели из-за нарушения геля связующего горячей водой и щелочными продуктами гидролиза модельной массы.

Для более активного и качественного удаления модельной массы предложено специальное устройство, позволяющее регулировать напор воды и создавать турбулентный поток жидкости, проникающий в самые труднодоступные места полости формы. Применение устройства позволяет интенсифицировать процесс удаления модельной массы и снизить уровень брака по засорам и шлаковым включениям на 15-20 %.

Выводы

1. В результате первичной статистической обработки исходного массива данных по браку лопаток были рассчитаны характеристики положения, рассеяния, вероятность появления различных видов брака. Структурирование исходных данных позволило выделить группу наиболее опасных дефектов, преобладающих и прочих. Предложенный метод обработки данных позволяет прогнозировать склонность лопаток к различным дефектам. Разработано программное обеспечение для статистической обработки информации по браку лопаток.

2. В результате впервые проведенной проверки исходных данных по браку на стохастическую независимость выявлены "неслучайные" дефекты: шлаковые включения, отслоение для всех типоразмеров лопаток, свечение - для сопловых лопаток, для ряда лопаток - окисная плена, провал геометрии, для лопаток 1 ступени - тонкая стенка, пробой формы, рыхлота.

3. Экспериментально установлено влияние относительной влажности окружающей среды на прочность керамических форм. Показано, что максимальная прочность образца достигается при относительной влажности 60-70 %. Уста-

новлено, что при хранении керамических форм в атмосфере повышенной или пониженной влажности в них происходят различные физико-химические процессы, влияющие на прочность форм и служащие причиной образования ряда дефектов. Выявлена статистическая зависимость между относительной влажностью окружающей среды и уровнем брака лопаток.

4. Установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами лопаток и наиболее значимыми видами брака. Для рабочих лопаток выделяется экстремальная зависимость для рыхлоты и монотонная для окисной плены, шлаковых включений, пробоя формы. Для сопловых лопаток связь между геометрическими параметрами лопаток и наиболее значимыми видами дефектов не выявлена. Для конкретизации влияния ЛПС на уровень брака проведен расчет заполнения полости формы металлом.

5. Методом экспертного оценивания выявлены наиболее вероятные причины возникновения опасных дефектов, которые объединены в три группы: 1) причины, связанные с низким качеством форм, обусловленным нарушениями и неоптимальными режимами вакуумно-аммиачной сушки и вымочки формы; 2} причины, связанные с условиями хранения и подготовки формы к заливке, а также с нарушениями технологических режимов по температуре и влажности е производственных помещениях; 3) причины, связанные с конструкцией ЛПС. не обеспечивающей эффективное питание и шлакоулавливание. Разработанс программное обеспечение для обработки информации, полученной при опросе экспертов.

6. Выявлен механизм формирования поверхностных дефектов в результате взаимодействия газовой фазы печи, формы и остатков модельного состава с компонентами сплава. Установлены конкретные причины образования дефектов типа газовых раковин и рыхлоты, окисной плены, шлаковых включений.

7. Предложен способ принудительной промывки блоков перед заливкой с помощью специального устройства, обеспечивающий более качественное удаление модельного состава из формы для уменьшения влияния физико химических процессов взаимодействия сплава с материалом формы и остатка ми модельного состава.

8. Получена математическая модель, описывающая зависимость прочност! формы от технологических параметров вакуумно-аммиачной сушки: длитель ности вакуумирования и аммиачной обработки, вязкости суспензии. У станов

лено, что критерий интенсивности вакуумно-аммиачной сушки должен быть равен 14 для г) = 17 с и 7,5 для Г| = 35 с. Длительность операций вакуумирова-ния и аммиачной обработки не должна превышать минимальных значений, регламентированных отраслевым стандартом.

9. Разработана конструкция ЛПС, отличительной особенностью которой является литниковый ход в форме центрифугирующего элемента со шлакосборни-ком в верхней части, выполняющим также роль прибыли, питающей нижний массивный узел отливки. Внедрение предложенной ЛПС позволило снизить массу блока в среднем на 25 %, повысить КИМ на 25-30 %, снизить общий уровень брака на 10-15%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шатульский A.A., Клементьева Н. А., Мордашева И. В. Использование ЭВМ при разработке технологического процесса литья по выплавляемым моделям // Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок: Тез. докл. научн.-техн. конф. -Рыбинск, 1987. - с.29.

2. Клементьева Н. А. Программы для решения на ЭВМ прямых и обратных задач жидкотекучести металлов и сплавов // Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок: Тез. докл. научн.-техн. конф. - Рыбинск, 1987. - с. 36.

3. Шатульский A.A., Чистяков В. В., Клементьева H.A. Совершенствование технологии литья по выплавляемым моделям // Современные проблемы механики и технологии машиностроения: Тез. докл. всесоюзн. конф. - Москва, 1989. - с.97.

4. Чистяков В. В., Шатульский А. А., Клементьева Н. А. Совершенствование технологии получения отливок из жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям // Новые конструкционные стали и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез. докл. всесоюзн .научн.-техн. конф. - Запорожье, 1989. - с.52.

5. Шатульский А. А., Клементьева Н. А-, Жабрев С. Б. Совершенствование технологии получения отливок из жаропрочных сплавов методом литья до выплавляемым моделям // Разработка технологических процессов литья, проектирование оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ: Тез. докл.

научн.-техн. конф. - Ярославль, 1990. ~ с.44.

6. Шатульский А. А., Клементьева Н. А. Применение ЭВМ для разработки технологии литья по выплавляемым моделям // Автоматизация и механизация производственных процессов в машиностроении: Тез. научн.-техн. конф. - Караганда, 1991. - с.47.

7. Шатульский А. А., Чистяков В.В., Клементьева Н. А. Автоматизированное проектирование технологии литья по выплавляемым моделям тонкостенных протяженных отливок из жаропрочных никелевых сплавов // Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин: Тез. докл. респ. научн.-техн. конф. - Курган, 1991. - с. 61.

8. Чистяков В. В., Шатульский А. А., Клементьева Н. А. Использование методов физического моделирования процессов заполнения керамических форм литья по выплавляемым моделям // Методы контроля и исследований в производстве отливок по выплавляемым моделям: Материалы семинара. - Москва, 1992. - с.67-69.

9. Изотов В. А., Клементьева Н. А. Разработка литниково-питающей системы для литья по выплавляемым моделям // Оптимизация технологических процессов и управление качеством при производстве фасонных отливок: Тез. докл. Всеросс. научн.-техн. конф. - Ярославль, 1993. - с.26.

10. Клементьева Н. А., Жуков А. А. Организационно-технические предпосылки создания системы управления качеством изделий газотурбинных двигателей // Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук. Экономические науки: Тез. докл. конф. - Ярославль, 1995. - с.68-69.

11. Шатульский А. А., Изотов В. А., Клементьева Н. А. Совершенствование технологии изготовления отливок из жаропрочных никелевых сплавов // Теплофизика технологических процессов: Тез. докл. IX Всеросс. научн.-техн. конф. - Рыбинск, 1996. - с. 96-97.

12. Жуков А. А., Шатульский А. А., Клементьева Н. А. Пути повышения качества отливок "лопатка ГТД" // Новые материалы и технологии: Тез. докл. на-учн.-техн. конф. - Москва, 1997. - с. 13.

1 З.Жуков А. А., Шатульский А. А., Клементьева Н. А. Повышение качества отливок "лопатка ГТД" на основе использования методов статистического анализа //Литейное производство. -1997. - № 4,- с.51.

Клементьева Наталья Алексеевна

Автореферат диссертации на соискание ученой степенн кандидата технических наук

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ЛОПАТОК ГТД НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Лицензия ЛР №020284 от 04Л2.96

Подписано в печать 1998 г.

Формат 60x84 1/16 Уч. изд. л. 1,0

Заказ 144 Усл. печ. л. 0,9

Тираж 85 экз. Изд-во РГАТА

Отпечатано в Рыбинской государственной авиационной технологической академии г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53