Наукові методи комп'ютерно-інтегрованого проектування технологій виготовлення відливок поршнів двигунів внутрішнього згоряння

Abstract

Дисертація 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.Dissertation for scientific degree of PhD in the specialty 136 – Metallurgy. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". Kharkiv, 2021. The dissertation solved the scientific and practical problem of substantiation and creation of technology of computer-integrated design (CID) of pistons of diesel engines with complex application of modeling of thermal, hydrodynamic parameters of casting and taking into account influence of technological parameters of casting on sizes of gas-shrinkage defects. Solving this problem makes it possible to raise the technical level, and reduce design time, as well as reduce costs for engine production. The results of the analysis of the causes of deformations show that the creation at the design stage of the optimal size and configuration of the technological structure can reduce the likelihood of defects in the process of manufacture and operation. It is proved that the systematic approach to the development of the piston design, as an element of the cylinder-piston group and the engine as a whole, allows to determine the optimal combinations of materials, techniques and design solutions. It is established that the basic indicator can be the specific or relative metal content, attributed to the unit of power of the machine or mechanism, the level reached for this class of part or standard. Analysis of existing casting methods revealed that: die-casting is the simplest technological process that allows the use of piston alloys with a low coefficient of linear expansion and to obtain castings of complex configuration; blanks obtained by hot stamping of deformable alloys are of high quality. But similar alloys in comparison with foundries have 15…20% higher values of the coefficient of linear expansion, and the coefficient of use of metal in hot stamping is even lower than in die casting, as the metal goes to the waste of blacksmithing. Liquid stamping of pistons is better than the above methods because it combines their advantages and is used for the production of pistons that have special strength requirements. It is proved that quantitative criteria for their evaluation are necessary for effective quality management of castings. It was found that there is a direct dependence of the quality of the casting on its accuracy, surface cleanliness and level of mechanical properties, and vice versa, on the frequency of casting defects, which correctly reflects the relationship between casting quality and its main parameters. It is proved that improving the quality of the casting is closely related to solving one of the main tasks – reducing its metal content, while to reduce the weight of the cast casting must have such functional characteristics as reliability, durability, guaranteed load-bearing capacity, etc. It is emphasized that the existing methods of numerical modeling, using physical models of foundry processes that occur because of cooling the casting in the mold, are time consuming, while varying the various technological parameters is almost impossible. It is noted that, in accordance with the requirements for design and technological design, specialized CID is used to create a universal technology for joint computer-integrated design of internal combustion engine (ICE) pistons. Based on comparative recommendations for the use of applied integrated computer systems designed to model the casting processes and calculate the thermal and stress-strain state of the cast pistons of the internal combustion engine, it is established that: – LVMFlow package of computer simulation application programs through finite-difference calculation algorithms is selected for modeling of ICE piston casting processes; – the use of finite-difference numerical models requires the precise assignment of initial and boundary conditions, as well as the creation of a commonly distributed network; – for engineering modeling of thermal and stress-strain state of cast pistons of internal combustion engines the ANSYS complex is selected, which has high interaction with existing CAD and CAE systems, which, in turn, has full interaction with Workbench Products and classic ANSYS, as well as a large number of mathematical solutions that allow you to quickly and efficiently perform calculations in Workbench Products. The result of the study was the creation of a three-dimensional model of the casting with elements of the foundry-feeding system applied to it. According to the results of creating a 3D model of the piston casting D 240-1004021 was found that the three-dimensional image of a complex designed part, greatly facilitated the perception and simplified the process of developing foundry technology. This is due to the fact that you can clearly see the design features, thermal units, etc., with the reduction of the dimensional coefficient of castings became more technological; the correct choice of the position of the casting in the form and connector of the mold allowed to improve the quality of castings and reduce the complexity of their manufacture. A also increase the stability of the molds; in the process of casting pistons, it is advisable to use side systems with slot feeders. Also, bring from below through ring feeders that provides smooth filling of a cavity of the form; Pre-existing casting systems work inefficiently because the constructive location of the traditional casting system relative to the casting prevents the creation of directional crystallization in the casting. The improved gutter system ensured smooth flow and filling sequence due to smoother transitions from one element to another and the absence of a structural element "collector". It is proved that the upper systems provide the highest stability of the molds. In addition, such systems are very economical. However, such systems are not inferior to the lower (siphon) in terms of reduction in castings of non-metallic inclusions. It is emphasized that the three-dimensional model of the casting with the elements of the foundry-feeding system applied to it will be used in the future to model the processes that take place in the foundry form during its pouring and cooling of the metal. It is emphasized that the final-difference model of casting of the piston and technological equipment is created, and engineering modeling of processes of casting of pistons of ICE in CID LVMFlow is executed. Modeling of the cooled casting showed that the correct choice of the casting position in the mold would create favorable conditions for directional crystallization. It is stated that the analysis of the dynamics of cooling of the casting, phase transition, the connection of the zones that crystallize in the last turn, allowed determining the places of possible occurrence of defects of gas-shrinkage nature. It is established that an integral part of the system approach to computer-integrated design technology is the method of determining the location and size of defects in the cast piston of the engine with fuel ignition from compression. To develop this method was determined that the most effective method direct modeling of the process of pore formation during curing based on the use of Darcy's equation, however, the necessary mathematical models are not accurate enough and need to be improved. It was found that the formation of gas-shrinkage defects corresponds to the model based on the theory of percolation; initial and boundary conditions for modeling are defined. The Niyama criterion, which shows the direction of crystallization, was used to determine the location of gas-shrinkage defects. Analysis of the results of modeling the location of defects showed that the most prone to shrinkage are arrays of bosses under the finger hole; the bottom of the piston under the combustion chamber, the transition area from the piston body to the bottom. Application of computer-integrated modeling and experimental research in the conditions of production with specification of the sizes and places of formation of gas-shrinkage defects for experimental batch of pistons D 240-1004021 allowed establishing the location and size of gas-shrinkage defects (Ø 0.3-1.3 mm). To assess the impact of technological factors of casting on the size of gas-shrinkage defects in their locations, a numerical experiment was developed and implemented using the results of modeling in LVMFlow. Studies have shown that the most interesting when studying the process of directional curing are the thickness of the layer of refractory coating, the thermal conductivity of the coating, the wall thickness of the mold and the initial temperature of the mold. Mathematical modeling was performed, because of which the dependence of the size of gas-shrinkage defects on the technological parameters of casting was established. The identified dependences make it possible to adjust the size of gas-shrinkage defects (within the limits allowed by technical requirements) by changing the technological parameters of casting. It is noted that in general tests on the motor stand showed that during rather severe conditions of loadings on the piston D 240-1004021 with gas-shrinkage defects, they remain operational. It was stated that the developed technology of computer-integrated design was tested.