Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Малафеев Ю.М., к.т.н., доц., Корженко М.В.

Национальный технический университет Украины «КПИ», г. Киев

ОСОБЛИВОСТІ КОМП’ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ ЛИТИХ ЗАГОТОВОК

Найважливішим фактором технологічного прогресу є рівень розвитку машинобудування. Найбільш суттєві зміни в будь-якій галузі виробництва можливі тільки у результаті створення більш сучасних машин і розробки принципово нових технологій. Розвиток виробництва і вдосконалення сучасних технологій сьогодні тісно пов’язані з автоматизацією, створенням і впровадженням робототехнічних комплексів, широким використанням обчислювальної техніки, застосуванням обладнання з числовим програмним керуванням.

Виробництво заготовок – один із основних етапів машинобудівного комплексу, який безпосередньо впливає на витрату матеріалів, якість виробів, трудомісткість їхнього виготовлення і собівартість. Цей етап важливий на всіх стадіях виготовлення машин і пристроїв. Він забезпечує на практиці їхню високу якість та надійність з урахуванням економічних показників.

У сучасних умовах на ливарних заводах

з метою зниження затрат і удосконалення підготовки виробництва почали широко впроваджувати комп’ютерні технології, які включають в себе:

- комп’ютерне моделювання процесу формування литих заготовок при проектуванні технології;

- використання CAD – систем при проектуванні технології, проектуванні і створенні ливарної оснастки.

Створення ливарної технології для будь якої литої заготовки пов’язане з матеріалоємним методом спроб і помилок, а також емпіричному досвіді роботи технологів. Вони частіше користуються інтуїцією, а не створеними алгоритмами.

Специфіка ливарного виробництва полягає в тому, що необхідно контролювати велику кількість факторів, а саме: стан заливаємого металу; спосіб одержання форми і попередній прогрів; швидкість подачі рідкого металу в форму; конфігурацією самої відливаємої деталі і ливникової системи; швидкість відведення тепла при кристалізації, і т. ін.

Необхідно відмітити, що ще в 60-70-ті роки була достатньо чітко розроблена нашими вченими-ливарниками теорія ливарних процесів. Однак надійне розв’язання тих чи інших задач формування виливка часто не може бути одержано аналітичним шляхом, а лише числовими методами, з реалізацією розв’язку їх на комп’ютері. Це стало можливим в даний час, при сучасному розвитку комп’ютерної техніки.

Сучасні системи комп’ютерного моделювання ливарних процесів встигли знайти широке поширення на багатьох підприємствах машинобудування. Рішення задач даного класу найчастіше здійснюється за допомогою методу кінцевих елементів. На першому етапі створюється тривимірна геометрична 3D – модель виливка і ливарної форми зі всіма її елементами.

З цією метою можуть бути використані різні CAD – системи. За допомогою генератора кінцево-елементної сітки (КЕ), одержані геометричні моделі перетворюються до вигляду, придатному для проведення розрахунків в створюваній САПР ливарних процесів.

В процесорних модулях систем комп’ютерного моделювання ливарних процесів моделюються процеси заповнення, кристалізації, утворення усадкових раковин та мікро- і макропористості.

В вирішенні гідродинамічних задач використовують моделі, які призначені для моделювання широкого класа гідродинамічних явищ. Вони здатні описувати рух рідини при різних швидкостях з урахуванням коефіцієнту стискуваності, турбулентності і теплопереносу. Це дозволяє відслідкувати потоки, поля швидкостей і температур при заповненні форми розплавом, а також отримувати початкове розподілення температурних полів в виливку з урахуванням взаємодії розплаву з формою та іншими факторами.

В алгоритм теплового розрахунку закладене врахування теплопередачі теплопровідністю, конвекцією, випромінюванням, нерівномірністю виділення прихованої теплоти кристалізації, складний характер тепловиділення на межі «виливок – форма» при можливої прояві міжконтактних прослойок – оксиди, фарби.

Результати моделювання, які обробляються в построцесорі, технолог може в динаміці переглядати на комп’ютері той чи інший етап створення виливка: заповнення форми, кристалізацію, локалізацію теплових вузлів і утворення дефектів.

Інтерфейс сучасних програмних засобів з моделювання дозволяє користувачу обертати об’єкт, робити в ньому будь-які перерізи, змінювати масштаб відображення, трансформувати кольорову палітру, переходити від зон рівних значень властивостей до ізоліній, оцифровувати зображення, поєднати на екрані одночасно декілька зображень.

Широке застосування комп’ютерних технологій в ливарному виробництві

пов’язано, перш за все, з процесом підготовки виробництва, - проектування технології, проектування оснастки, виготовлення оснастки з використанням CAD – систем і верстатів з ЧПУ.

Особливістю створення литих заготовок у порівнянні з іншими методами, являється можливість одержання складних поверхонь і з’єднань, тому литвом виготовляють деталі, які іншими способами виготовити дуже складно або зовсім неможливо. В силу своєї специфіки підготовка виробництва в литті являється найбільш тривалим етапом. А в умовах малосерійного виробництва являється основним фактором, який суттєво впливає на кінцеву ціну виробу.

При виробництві литих заготовок деталей повинні вирішуватися наступні питання:

- автоматизація проектування технології одержання виливків при різних видах лиття;

- оцінка технологічності конструкцій нових виливків з метою оптимізації ливарної технології;

- вибір принципової технології лиття з урахуванням конкретних вимог, що пред’являються до виливка.

Всі ці питання на сьогоднішній день активно вирішуються з допомогою комп’ютерного моделювання, яке дозволяє:

- скоротити час на підготовку виробництва і впровадження нових виробів;

- забезпечити високий рівень проектування;

- забезпечити розробку оптимальної і найбільш економічної технології виготовлення виливків;

- уникнути проведень натурних експериментів на стадії запуску виливка в виробництво.

При комп’ютерному моделюванні ливарних процесів можна аналізувати такі складні процеси як:

- процес кристалізації виливка довільної конфігурації при різних її положеннях у формі з урахуванням багатоваріантної ливниково-живильної системи;

- обрати оптимальну конструкцію окремих теплових вузлів або в цілому виливка з точки зору технологічності його виготовлення;

- одержати інформацію, яка відображає стан системи, що кристалізується в будь-який момент часу з початку заливання розплаву в форму.

Моделювання ливарних процесів багатокомпонентного розплаву здійснюється на основі розв’язку диференціального рівняння оригінальної квазірівноважної теорії кристалізації сплавів.

Використання комп’ютерного проектування литих заготовок дає можливість автоматизувати робоче місце технолога-ливарника і багатократно скоротити час підготовки виробництва, підвищити професіональну компетентність технолога [1,2,3].

Застосовувані на автоматизованих робочих місцях системи на теперішній час дозволяють:

- автоматизувати введення креслення деталі в комп’ютер з використанням пакету векторизації;

- проектувати технологічні рішення в 2-D і 3-D системах;

- автоматизувати проектні операції до 80% від загального об’єму;

- імпорт/експорт моделей в форматах DXF, DBF, IGES, SAT, STEP;

Базова структурна схема роботи сучасних автоматизованих робочих місць по моделюванню литих заготовок представлена на рис.1.

Рис. 1. Базова структурна схема роботи сучасного автоматизованого робочого місця по моделюванню литих заготовок

Комп’ютерним моделюванням на сьогоднішній день успішно розв’язуються наступні задачі:

- проведення оцінки технологічності деталі;

- розробка креслення виливка, включаючи нанесення площини розні-мання, розрахунок припусків і уклонів, розрахунок дистанції живлення і т. ін.;

- розробка технології ливарної форми: оформлення зовнішніх і внутрішніх поверхонь виливка (формою чи стержнем);

- розрахунок ливниково-живильної системи (ЛЖС);

- створення технічного завдання (ТЗ) на оснастку: розрахунок усадки для кожної поверхні, розміщення елементів ливникової системи і моделі виливків на модельній плиті і моделі стержнів в стержньовому ящику [4,5,6].

Литература:

1. Афонькин М.Г., Звягин В.Б. Производство заготовок в машиностроении. -2-е изд., перераб. и доп. – СПб: Политехника, 2007. – 380 с.

2. Иванов В.Н., Казанцев С.А., Курчман Б.С.. Литье по выплавляемым моделям. – М. Машиностроение, 1984. – 408 с.

3. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. 3-е изд. – М.: Машиностроение, 1985. – 400 с.

4. Зуев С.А., Полещук Н.Н. САПР на базе AutoCAD – как это делается. БХВ Санкт-Петербург, 2004 – 1168 с.

5. Миронченко А.С. Императивное и объектно-ориентированное программирование на Turbo Pascal и Delphi. – Одесса: ВМВ, 2007. – 408 с.

6. Краснов М.В. OpenGL. Графика в проектах Delphi. – БХВ Санкт-Петербург, 2000. – 352 с.