136 "Металургія"
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Наукові методи комп'ютерно-інтегрованого проектування технологій виготовлення відливок поршнів двигунів внутрішнього згоряння(Національний технічний інститут "Харківський політехнічний інститут", 2021) Орендарчук, Юлія ВолодимирівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 136 – Металургія. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Харків, 2021. Дисертанткою вирішена науково-практична задача обґрунтування і створення технології комп’ютерно-інтегрованого проектування поршнів дизельних двигунів з комплексним застосуванням моделювання теплових, гідродинамічних параметрів лиття та урахуванням впливу технологічних параметрів лиття на розміри газоусадочних дефектів. Вирішення цього завдання дає можливість підняти технічний рівень, і скоротити час проектування, а також знизити витрати на виробництво двигунів. Результати аналізування причин виникнення деформацій свідчать, що створення на етапі проектування оптимальної за розмірами й конфігурацією технологічної конструкції дозволяє знизити ймовірність появи в ній дефектів у процесі виготовлення та експлуатації. Доведено, що системний підхід до розробки конструкції поршня, як елемента циліндро-поршневої групи і двигуна в цілому, дозволяє визначати оптимальні комбінації матеріалів, технологічних прийомів і конструктивних рішень. Встановлено, що базовим показником може бути питома або відносна металоємність, віднесена до одиниці потужності машини або механізму, досягнутому рівню для даного класу деталі або еталону. Аналізування існуючих способів лиття дозволило встановити, що: лиття в кокіль є найбільш простим технологічним процесом, котрий дозволяє використовувати поршневі сплави з низьким коефіцієнтом лінійного розширення та отримувати виливки складної конфігурації; заготівки, котрі отримані гарячим штампуванням сплавів, що деформуються, відрізняються високою якістю, але подібні сплави у порівнянні з ливарними мають на 15…20 % вищі значення коефіцієнта лінійного розширення, а коефіцієнт використання металу при гарячому штампуванні ще менший, ніж при литті в кокіль, оскільки метал йде у відходи ковальського виробництва; рідке штампування поршнів є кращим за наведені вище способи тому, що поєднує їхні переваги та використовується для виробництва поршнів, до яких пред’являються особливі вимоги щодо міцності. Доведено, що для ефективного управління якістю виливків необхідні кількісні критерії для їхнього оцінювання. Встановлено, що існує пряма залежність якості виливки від її точності, чистоти поверхні та рівня механічних властивостей, і зворотна, від частоти новоутворень в ній ливарних дефектів, що правильно відображає взаємозв’язок якості виливки з її основними параметрами. Доведено, що підвищення якості виливки тісно пов'язане з вирішенням одного з головних завдань – зниженням її металоємності, при цьому для зниження маси литої виливки необхідно мати такі функціональні характеристики, як: надійність, довговічність, гарантований рівень несучої здатності, тощо. Акцентовано, що існуючі методи чисельного моделювання, з використанням фізичних моделей ливарних процесів, які відбуваються в результаті охолодження виливка у формі, є трудомісткими, при цьому варіювання різними технологічними параметрами є практично неможливим. Зазначено, що, згідно з вимогами до конструкторсько-технологічного проектування, для створення універсальної технології спільного комп'ютерно-інтегрованого проектування поршнів ДВЗ використовуються спеціалізовані ІКС. На основі порівняльних рекомендацій щодо застосування прикладних інтегрованих комп'ютерних систем, призначених для моделювання процесів лиття та розрахунку теплового і напружено-деформованого стану литих поршнів ДВЗ встановлено, що: – для моделювання процесів лиття поршнів ДВЗ обраний пакет прикладних програм комп'ютерного моделювання LVMFlow через кінцево-різницеві алгоритми розрахунку, що забезпечують стабільну роботу розрахункової станції при відносно малому споживанні її апаратних ресурсів, зручності інтерфейсу, швидкості розрахунків і малої вартості пакета програм; – застосування кінцево-різницевих чисельних моделей вимагає точного призначення початкових і граничних умов, а також створення звичайно розносної мережі; – для інженерного моделювання теплового і напружено-деформованого стану литих поршнів ДВЗ обраний комплекс ANSYS, що має високу взаємодію з існуючими CAD і САЕ системами, що, у свою чергу, має повну взаємодію з Workbench Products і класичним ANSYS, а також досить велику кількість математичних рішень, що дозволяють швидко та якісно проводити розрахунки в Workbench Products. Підсумком виконаного дослідження стало створення тривимірної моделі виливки з нанесеними на неї елементами ливниково-живильної системи. За результатами створення 3D-моделі виливки поршня Д 240-1004021 встановлено, що: тривимірне зображення складної проектованої деталі, значно полегшило сприйняття та спростило процес розроблення ливарної технології, це обумовлено тим, що добре видно особливості конструкції, термічні вузли тощо; за умови зменшення коефіцієнта габаритності виливок став більш технологічним; правильний вибір положення виливка у формі та роз’єму кокілю дозволив підвищити якість виливків і знизити трудомісткість їх виготовлення, а також збільшити стійкість кокілів; у процесі лиття поршнів доцільно використовувати бічні системи зі щілинними живильниками, а також підводити знизу через кільцеві живильники, що забезпечує плавну заливку порожнини форми; існуючі раніше ливникові системи працюють неефективно тому, що конструктивне розташування традиційної ливникової системи відносно виливки перешкоджає створенню спрямованої кристалізації в литві; удосконалена ливникова система забезпечила плавність потоку і послідовність заповнення завдяки більш плавним переходам від одного елемента до іншого та відсутнього конструктивного елементу "колектор". Доведено, що верхні системи забезпечують найбільш високу стійкість кокілів. Крім того, такі системи дуже економічні. Разом з тим, подібні системи не поступаються нижнім (сифонним) щодо зменшення у виливках неметалевих включень. Наголошено, що тривимірна модель виливка з нанесеними на неї елементами ливниково-живильної системи в подальшому буде використана для моделювання процесів, котрі протікають у ливарній формі під час її заливання та охолодження металу. Акцентовано, що створена кінцево-різницева модель виливка поршня й технологічної оснастки, а також виконано інженерне моделювання процесів лиття поршнів ДВЗ в ІКС LVMFlow. Моделювання охолодженої виливки показало, що правильний вибір положення виливка у формі створить сприятливі умови для спрямованої кристалізації. Констатовано, що аналізування динаміки охолодження виливки, фазового переходу, пов'язаності зон, що кристалізуються в останню чергу, дозволили визначити місця можливої появи дефектів газоусадкового характеру. Встановлено, що невід'ємною частиною системного підходу до технології комп'ютерно-інтегрованого проектування є метод визначення місць розташування та розмірів дефектів у литому поршні двигуна із запалюванням палива від стиснення, для розроблення цього методу було: визначено, що найбільш ефективним методом прогнозування мікропористості вважається пряме моделювання процесу утворення пор під час твердіння на основі використання рівняння Дарсі, проте, необхідні для цього математичні моделі є недостатньо точними і потребують удосконалення; з'ясовано, що утворення газоусадочних дефектів відповідає моделі, котра заснована на теорії перколяції; визначені початкові і граничні умови для моделювання. Для встановлення місць розташування газоусадочних дефектів використаний критерій Niyama, що показує напрямок руху кристалізації; аналізування результатів моделювання місць розташування дефектів показало, що найбільш схильними до усадочним явищ є: масиви бобишки під пальцевим отвором; днище поршня під камерою згоряння; область переходу від корпусу поршня до днища. Застосування комп'ютерно-інтегрованого моделювання та проведені експериментальні дослідження в умовах виробництва з уточненням розмірів і місць утворення газоусадочних дефектів для дослідної партії поршнів Д 240-1004021 дозволили встановити місця утворення і розміри газоусадочних дефектів (Ø 0,3-1,3 мм). Для оцінювання впливу технологічних факторів лиття на розміри газоусадочних дефектів у місцях їх розташування було розроблено та реалізовано чисельний експеримент з використанням результатів моделювання в LVMFlow. Проведені дослідження показали, що найбільший інтерес під час вивчення процесу спрямованого твердіння мають: товщина шару вогнетривкого покриття, теплопровідність покриття, товщина стінки кокілю і початкова температура кокілю. Здійснено математичне моделювання в результаті якого було встановлено залежність розмірів газоусадочних дефектів від технологічних параметрів лиття. Виявлені залежності дають можливість регулювати розміри газоусадочних дефектів (в допустимих технічними вимогами межах) зміною технологічних параметрів лиття. Зауважено, що в цілому випробування на моторному стенді показали, що під час досить жорстких умов навантажень на поршні Д 240-1004021 з газоусадочними дефектами вони зберігають працездатність. Констатовано, що розроблена технологія комп'ютерно-інтегрованого проектування була апробована.