Применение наукоемких технологий при освоении корпусного литья из магниевых сплавов для ЗУР ЗРК С-400 «Триумф»

Одной из основных конструктивных особен­ностей изделий специального назначения, применяемых в современных отечественных изделиях ракетной техники, является использование литых заготовок из высокопрочных магниевых сплавов.

Применение магниевых сплавов позво­ляет обеспечить оптимальное соотношение массы к мощности изделия и соответственно тактико-технические характеристики изделия в целом.

Разработка технологического процес­са литой заготовки - многофакторная зада­ча, от решения составляющих которой зави­сит не только качество отливки, но и затраты на ее изготовление, включающие в первую очередь стоимость оснастки, трудоемкость процесса и его металлоемкость. Для малога­баритных и неответственных отливок риск ошибки невелик. Однако он существенно повышается для отливок со значительным циклом технологической подготовки произ­водства.

К числу таких литых заготовок относит­ся крупногабаритное корпусное литье для зе­нитных управляемых ракет (ЗУР) зенитно-ра­кетного комплекса (ЗРК) С-400 «Триумф».

В настоящее время многие предприятия при разработке технологических процессов литья используют различные системы ком­пьютерного моделирования (СКМ). При этом снижаются затраты на апробацию и корректи­ровку оснастки, а также общее время цикла до получения опытной партии отливок.

Однако ни одна современная СКМ пока не в состоянии оценить рациональность спроекти­рованного технологического процесса литья.

Основные оценочные критерии каждой СКМ - обеспечение заполняемости формы и отсутствие (либо наличие допустимых) уса­дочных дефектов.

Конечно, пытаться устранить или умень­шить влияние этих недостатков на качество отливки, а также снизить ее металлоемкость можно методом итераций. Однако эффектив­нее и надежнее проводить предварительные расчеты необходимых технологических па­раметров получения этих заготовок с целью обеспечения выполнения технических условий при минимальной металлоемкости.

Для реализации данного подхода при разработке технологических процессов литья крупногабаритных корпусных отливок из маг­ниевых сплавов в комбинированную форму (кокиль с внутренним песчаным стержнем) была создана система автоматизированного проекти­рования, решающая комплекс задач по расчету:

• исполняемых размеров литниковои системы (ЛС);
• температуры заливки расплава в форму;
• распределения температур расплава в форме в конце ее заполнения;
• непрерывности питания вертикальных стенок отливки и необходимых технологиче­ских напусков;
• прибылей и холодильников.

Решение первой задачи возможно при заданных параметрах конструкции самой ЛС.

Для отливок рассматриваемого класса очевидно применение вертикально-щелевой конструкции ЛС (рис. 1) [1]. При этом можно использовать две схемы:

1. вертикальная щель примыкает непосред­ственно к наружной стенке отливки (рис. 1, а);
2. роль вертикальной щели выполняет сама отливка, что позволяет исключить отвод теплоты через боковые стенки вертикальной щели и в итоге снизить температуру перегрева заливаемого в форму металла (рис. 1, б).

Расчет литниковой системы при извест­ных рекомендованных соотношениях суммар­ных площадей элементов ЛС проводится на основе уравнения Бернулли [2] с учетом критических значений критерия Рейнольдса и экспериментально установленных коэффици­ентов расхода.

Для расчета температуры заливки лит­никовую систему и рабочую полость формы разбивают на N участков примерно постоян­ного сечения в направлении течения металла.

Тогда температуру заливки расплава t_зал, при которой исключается допустимое сниже­ние его температуры в форме, можно опреде­лить на основании решения уравнения теплового баланса [3]. При этом учитываются:

• скорость расплава в форме (принимая во внимание уменьшение металлостатического на­пора);
• отвод теплоты перегрева в кокиль (при­нимая во внимание изменение толщины слоя огнеупорной краски на его рабочей поверхно­сти);
• конвективный теплообмен в потоке при сбросе расплава в приливы отливки с учетом критериев Нуссельта и Пекле;
• теплоотвод в песчаный стержень.

В результате температуру заливки рас­плава в форму можно определить как [4]:

где t_фн , t_вхк - температуры формы начальная и расплава на входе в вертикальный колодец, °С;

b_фп, b_фк - коэффициенты аккумуляции теп­лоты кокиля и песчаной формы, стояка и лит­никового хода соответственно, Вт · с^1/2/(м² · K);

α_с, α_лх - коэффициенты теплоотдачи от потока расплава к поверхности формы стояка и литникового хода соответственно, Вт/(м² · K);

F_c, F_лх - суммарные поверхности стояков и литниковых ходов соответственно, м² ;

с′, ρ′ - удельная теплоемкость, Дж/кг · K, и плотность, кг/м³, жидкого сплава соответ­ственно;

Q_ф - расход расплава при заполнении фор­мы, м³/с.

При этом, согласно [2], важно обеспе­чить проточно-поперечное течение при запол­нении полости формы вертикально-щелевой литниковой системы. Для этого рассчитыва­ется величина поперечного растекания рас­плава на каждом выделенном уровне высоты отливки, которая должна быть не меньше не­которого заданного геометрического параме­тра (для данного типа отливок - 1/4 длины окружности).

Расчет температур расплава в верхнем и нижнем слоях рабочей полости формы в конце ее заполнения при проточно-поперечном тече­нии следует выполнять с учетом того, что запол­нение нижнего заканчивается раньше верхнего.

Поэтому за время заполнения габарит­ной формы (h > 1000 мм) до верхнего сечения в нижнем может начаться затвердевание рас­плава после его остановки.

На этапе заполнения формы расплавом стенку кокиля можно рассматривать как полу- ограниченную в тепловом отношении вслед­ствие малой продолжительности процесса. На основании решения задачи [4] для полуогра- ниченного тела при граничных условиях треть­его рода изменение температуры в форме от ос­нования отливки до ее верха можно рассчитать, решая уравнения для удельного теплового по­тока через поверхность кокиля.

При этом, зная заданную температуру за­ливки формы, необходимо учитывать:

• начальную температуру кокиля и его коэффициент аккумуляции теплоты;
• коэффициент теплоотдачи от потока расплава в кокиль (принимая во внимание тол­щину слоя краски на нем);
• коэффициент конвективной теплоотдачи;
• среднюю скорость подъема уровня ме­талла в форме.

Зная температуру на входе в основании отливки t_вхн и рассчитав ее для верхних слоев t_кн, можно установить среднюю температуру расплава по высоте:

Полученные параметры распределения температуры по высоте отливки в конце ее за­полнения входят в число исходных данных для расчета непрерывности питания вертикальных стенок отливки и необходимых технологиче­ских напусков.

Расчет последовательности затвердева­ния отливки выполняется на основе известно­го аналитического решения задачи в теории затвердевания [5].

Отличие составляет определение тепло­обмена в комбинированной форме в виде суммы коэффициентов аккумуляции тепло­ты кокиля и песчаного стержня. При этом для кокиля рассчитывается эффективный коэф­фициент аккумуляция теплоты путем замены кокиля эквивалентной в тепловом отношении полуограниченной формой и использованием математической модели его температурного поля [6]:

где b_к - коэффициент аккумуляции теплоты кокиля, (Вт · с^1/2)/(м · K);

Fо_K, Θ, K, Bi_K - критерии Фурье и Био для кокиля, 

а_к - коэффициент температуропроводно­сти кокиля, м²/с;

δ_к - толщина стенки кокиля, м;

t_pn - средняя расчетная температура отлив­ки в процессе затвердевания, °С;

t_ос - температура окружающей среды, °С;

λ _K - коэффициент теплопроводности ко­киля, Вт/(м · K);

t_к - начальная температура кокиля, °С;

f - функция нестационарности теплового режима кокиля:

где λ_πκ - коэффициент теплопроводности по­крытия (краски) кокиля, Вт/(мК);

δ_πκ - толщина покрытия, м;

k_q - коэффициент теплоотдачи через стен­ку кокиля, Вт/(м² · K).

Результаты анализа последовательности затвердевания стенки отливки служат основой для расчета технологического напуска, обеспе­чивающего ее питание. При этом использует­ся критерий непрерывности фильтрационного питания [7]:

где G_τ - средний градиент температуры в стенке отливки по ее длине, K/м;

V_t - средняя скорость охлаждения стенки при затвердевании, К/с.

Непрерывность питания отливки обеспе­чивается, если выполняется условие

K_q ≥ (K_q )_кр,

где (K_q )_кp - критическое значение критерия непрерывности питания.

Для отливок из сплава МЛ5 (K_q )_кp = = 2,4105 К · с/м² при устранении макропори­стости или ограничении микропористости.

На основе математической модели тем­пературного поля затвердевающей отливки получена система уравнений для расчета дис­танции действия прибыли L_дп и толщины на­пуска δ_нн (см. рис. 1):  

где t_эв - эквивалентная начальная темпера­тура расплава в верхнем сечении стенки, °С,

t_3H - температура расплава, заполнившего форму, °С;

t_лик - температура ликвидус и солидус сплава, соответственно, °С;

t_сол - температура солидус сплава, °С;

τ_з - среднее время затвердевания стенки отливки, с;

τ_зп - время затвердевания прибыли;

 - эффективные коэффициенты температуропроводности, м²/с, и аккумуляции теплоты, (Вт · с^1/2)/(м² · К), сплава в интервале кристаллизации;

t_p - средняя расчетная температура затвер­девающей отливки.

Длина технологического напуска l_н на стенке отливки l_н = h₀ - l_gп. Толщина напуска внизу δ_нп равна припуску на механическую обработку.

Расчет размеров отливки сводится к рас­чету размера основания сечения конической прибыли В_п с последующим определением верхнего размера сечения В_пв и высоты прибыли Н_п по соотношениям с В_п (см. рис. 1):

Н_п =K₁B_п, В_пв =K₂B_п.

Для магниевых отливок K₁ = 1,9...2,0 для открытых прибылей и K₁ = 1,5...1,6 для закры­тых прибылей, K₃ = 1,1 ...1,2 [2].

Величина В_п определяется методом по- узлового расчета путем решения уравнения теплового баланса прибыли [8]:

Q_зп = Q_ф + Q_тп + Q_по

Статьи теплового баланса определяются в зависимости от В_п. Особенности расчета теп­лоты, выделенной при затвердевании прибы­ли Q_зп, состоит в том, что учитывается уменьшение объема металла в прибыли вследствие усадки при затвердевании отливки и прибыли:

L_п - длина прибыли, равная длине верхней части стенки отливки с прибылью, м;

ε_ν - относительная объемная усадка спла­ва при затвердевании, для магниевых сплавов ε_v = 0,05...0,06;

V₀ - объем отливки (без колодцев), м³.

Теплота, отведенная от прибыли в фор­му (кокиль) Q_ф, определяется следующим об­разом:

b_эфп - эффективный коэффициент аккумуля­ции теплоты формы прибыли, (Вт · с^1/2)/(м² · К).

Теплота, отведенная из прибыли тепло­проводностью в стенку отливки:

Теплота, отведенная с открытой поверх­ности прибыли:

ε - степень черноты открытой поверхно­сти прибыли.

Решением уравнения теплового баланса прибыли с учетом выражений для определения его статей получено:

Для закрытой прибыли A₆ = 0.

Расчет холодильника для песчаного стержня с целью уменьшения времени затвер­девания рассматриваемого массива (бобышки, фланца и т. д.) или протяженного элемента отливки до требуемого значения (τ_зпр) для соз­дания направленного затвердевания сводится к определению размеров холодильника и тол­щины слоя краски на его поверхности (при выбранном материале холодильника и составе краски). При этом принимаются следующие два допущения. Первое - термическим сопро­тивлением газового зазора между отливкой и холодильником можно пренебречь по сравне­нию с термическим сопротивлением слоя кра­ски. Тогда значение коэффициента теплоотда­чи в холодильник от отливки будет:

,

где λ_κх - коэффициент теплопроводности краски холодильника, Вт/(м² ·К);

δ_κх - толщина слоя краски холодильника, м.

Второе допущение предполагает исполь­зование в решении уравнения теплового балан­са холодильника его средней температуры, что возможно, если его толщина (масса) выбра­на такой, чтобы повышение его температуры практически не влияло на время затвердевания массива. Тогда, по данным источников [3, 9], требуемая толщина холодильника может быть определена как

где с_х - удельная теплоемкость материала хо­лодильника, Дж/(кг · К);

ρ_х - удельная плотность материала холо­дильника, кг/м³.

Рассмотренные методики были реализо­ваны в виде пакета программ, прошли апроба­цию и были успешно применены для разработ­ки технологических процессов изготовления крупногабаритных корпусных отливок из спла­вов МЛ5 и МЛ10 в комбинированную фор­му (кокиль с внутренним песчаным стерж­нем). Полученные результаты расчетов были проанализированы с помощью СКМ ProCast. В частности, на рис. 2-7 показаны основные этапы моделирования разработанного техно­логического процесса изготовления отливки «Корпус», а именно, моделирование процесса заполнения формы (см. рис. 3) отражает стабильность соблюдения условий неразрывно­сти и ламинарности потока расплава, что обе­спечивают параметры литниковой системы. Анализ температурных полей и образования твердой фазы (см. рис. 4) показывает обеспе­чение условий направленности затвердевания отливки в процессе ее формирования, что зада­ется начальным распределением температуры расплава в конце заполнения формы, а также исходным градиентом температур кокиля по его высоте и условиям теплообмена между затвердевающим расплавом и формой через предварительно рассчитанный переменный слой теплоизолирующей краски. Образование усадочной пористости (см. рис. 6) в отливках позволяет определить места их формирования и допустимую величину. При отклонении от нормы, предусмотренной техническими ус­ловиями на отливку, проводится повторный расчет технологических средств, обеспечива­ющих непрерывность питания соответствую­щих зон литой заготовки (прибылей, техноло­гических напусков, холодильников, толщины теплоизоляционной краски) исходя из мини­мизации ее металлоемкости.

Для определения времени выдержки от­ливки в кокиле до ее извлечения рассчитыва­ется продолжительность процесса кристаллизации (см. рис. 7), что важно для минимизации задолженности литейной оснастки и повыше­ния производительности процесса получения литых заготовок.

Анализ полученных результатов как для данной отливки, так и для остальных литых элементов конструкции ЗУР для ЗРК С-400 «Триумф» из магниевых сплавов показал высо­кую эффективность результатов расчетов всех технологических параметров.

В результате была спроектирована кон­структорская документация и изготовлена ли­тейная оснастка. После отработки техноло­гических процессов все спроектированные отсеки как из сплава МЛ5 для изделий АО «ММЗ «АВАНГАРД», так и из сплава МЛ10 для изделий ПАО «ДНПП» были подвер­гнуты первой группе контроля согласно ОСТ 1.90248-77 и успешно выдержали его. Проведенные квалификационные испытания также показали, что изготовленные отсеки полностью удовлетворяют требованиям тех­нических условий.

Таким образом, эффективность приме­нения разработанных методик для расчетов технологических параметров крупногабарит­ного корпусного литья из магниевых сплавов в комбинированную форму высока за счет ком­плексности решаемых задач и надежности вы­даваемых результатов.