Статьи Литье — дело тонкое!
Процесс литья — древнейший процесс изготовления изделий требуемой конфигурации, простой по своей сути, но сложнейший с точки зрения многофакторности протекающих физических явлений. В подавляющем большинстве случаев прикладная задача моделирования реального технологического процесса литья не имеет аналитического решения. Как протекает процесс заполнения литейной формы расплавом? Как происходит тепломассоперенос в самой отливке? Какие размеры и конфигурацию должна иметь литниково-питающая система? Как влияет процесс кристаллизации на коробление отливки? Каковы причины образования литейных дефектов? Ответы на эти и многие другие вопросы позволяют повысить качество получаемых отливок.
Найти эти ответы зачастую сложно даже очень опытному литейщику. Для получения бездефектных отливок интуитивно приходится учитывать роль многих факторов в литейных процессах, таких как литейный сплав и его свойства, геометрия отливки и ее расположение в форме, геометрия литниковой системы, температура расплава и скорость заполнения расплавом формы, материал формы и ее предварительный прогрев, управление скоростью теплопередачи посредством утепления
Опытным инженерам необходимо владеть огромным объемом эмпирической информации об удачных и неудачных попытках получения отливок. Но использование специалистами главным образом эвристических приемов при решении технологических проблем может сопровождаться значительными затратами времени и материальных ресурсов. «Заглянуть» внутрь литейной формы и проанализировать закономерности протекания физических процессов помогают системы компьютерного моделирования литейных процессов, в основе которых лежат численные методы решения.
В настоящее время применение численных методов при предварительном анализе технологических процессов постепенно становится элементом повседневной исследовательской работы.
Применяемая в ОАО «Авиадвигатель» система конечно-элементного моделирования литейных процессов ProCAST позволяет проанализировать технологический процесс получения отливки на этапе его разработки, подобрать необходимую литниково-питающую систему и определить оптимальные технологические параметры. Использование таких расчетов в «сквозной цепочке» проектирования и подготовки производства литых турбинных лопаток позволяет сэкономить на возможной доработке литейной оснастки, сократить время на отработку литейной технологии.
Однако не стоит считать, что подобная система самостоятельно и абсолютно достоверно сумеет определить оптимальные параметры технологического процесса. Подобные системы не ставят целью синтезирование технологии, а позволяют провести глубокий анализ всех протекающих процессов, помогая технологу целенаправленно и эффективно находить тот вариант технологии, который обеспечит необходимое качество отливки. Успешное использование такого наукоемкого инструмента требует приложения усилий и опыта всех литейных технологических служб, а также проведения сложных экспериментальных работ по определению свойств материалов, идентификации расчетных методик с реальными заливками.
На сегодняшний день основным пользователем системы ProCAST является бюро расчетных технологий отдела формообразующей оснастки ОАО «Авиадвигатель». При помощи ProCAST проводятся расчеты заливки и кристаллизации турбинных охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, изготовляемых методом литья по выплавляемым моделям, анализируется образование литейных дефектов, а также оценивается напряженно-деформированное состояние отливок и керамических стержней при кристаллизации в условиях затрудненной усадки. Универсальность системы позволяет проводить расчеты процесса равноосного литья, направленной кристаллизации и литья монокристаллических лопаток.
Система ProCAST используется и на других предприятиях пермской моторостроительной площадки: ОАО «Пермский моторный завод», ЗАО «Металлист-ПМ» и др.
Дальнейшие перспективы использования систем компьютерного моделирования литейных процессов в первую очередь связаны с непрекращающимся наращиванием мощностей компьютерных ресурсов. Уже сейчас использование многопроцессорных параллельных вычислений позволяет сократить время прохождения расчетов, увеличить их точность и количество учитываемых факторов, особенно при моделировании таких сложнейших технологических процессов, как литье монокристаллических лопаток.
Дальнейшее развитие компьютерных технологий позволит проводить решение тех задач, реализация которых на сегодняшний день невозможна ввиду ограниченности расчетных ресурсов.
Необходимо отметить, что от своевременного внедрения передовых методов компьютерного моделирования физических и иных процессов серийного производства газотурбинных двигателей зависит их дальнейшая эксплуатационная надежность. Например, надежность турбины — своего рода «сердца» газотурбинного двигателя — всецело зависит от качества изготовления турбинных лопаток. Применение специалистами ОАО «Авиадвигатель» современных систем компьютерного моделирования литейных процессов и передача необходимых рекомендаций серийному изготовителю авиационных и промышленных двигателей — ОАО «Пермский моторный завод» — позволяет конструкторскому бюро существенно увеличить качество отливаемых лопаток и тем самым увеличить срок службы турбины в эксплуатации.
