Повышение эффективности литейного производства на основе компьютерного моделирования литейных процессов и ресурсосберегающих технологий

цессов, позволяющие оценить степень соответствия контролируемого процесса международным стандартам;

- численные значения показателей стабильности процессов, позволяющие оценить степень вариабельности контролируемого процесса;

- оценка характера зависимости между двумя видами связанных показателей качества, позволяющая выработать соответствующую стратегию управления;

- систематизация накопления в единой базе потоков данных всех контрольных мероприятий, позволяющая накапливать и анализировать статистический материал за любой отчетный период.

На данный момент уже разработаны предложения по интеграции автоматизированной системы (CSQM) в систему менеджмента качества предприятия (рис. 9). Собран огромный статистический материал, позволивший создать методическую базу, незаменимую при практическом внедрении и последующем использовании CSQM.

В настоящее время уже создана часть системы CSQM, которая внедрена на предприятии ООО «КАВЗ» -Курганский автобусный завод и удостоена высшей награды - медали ВВЦ на Международной выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ 2006 (г Москва, ВВЦ).

Список литературы

1 Орлов А.И. Эконометрика: Учебник. -М.: Изд-во «Экзамен», 2002. 2. Цубаки Х. Развитие менеджмента качества в промышленности

Японии / Пер.с англ. - Н.Новгород: СМЦ «Приоритет», 2000.-47с.

М.В. Давыдова, А.М. Михалёв, В.А. Бегма, Н.В.Росляков, А.М. Буторин, Д.В. Марков, Д.С. Белобородов, К.А. Сырчин, П.С. Ульянов, И.А. Сюкосев

Курганский государственный университет, г. Курган

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Так как доля отливок в общей массе ряда машин, например металлорежущих станков, паровых турбин, тракторов и т.д., превышает 50%, поэтому литейное производство является основной заготовительной базой современного машиностроения.

Широкое применение способа изготовления заготовок литьём объясняется тем, что литьем можно изготовлять заготовки сложной конфигурации, которые другими методами (ковкой, штамповкой, сваркой) получать более трудоемко, дорого или вообще невозможно.

Универсальность является основным достоинством литья. Масса изготовляемых литьём заготовок может варьироваться от нескольких граммов до десятков и даже сотен тонн, размеры заготовок также различны. Изготовляться они могут из самых разнообразных металлов и сплавов.

Также очень важным достоинством литья является возможность максимального приближения размеров по-

лучаемой отливки к размерам готовой детали из-за чего значительно сокращаются отходы металла в стружку при механической обработке.

Отливки, отвечающие требованиям эксплуатации, обладают заданными механическими свойствами, а в некоторых случаях и специальными свойствами в интервале рабочих температур. Чтобы получить отливку с требующимися эксплуатационными свойствами, необходимо выбирать надлежащий сплав и технологию.

Важнейшая задача литейного производства - сокращение потерь брака. Эта задача заключается в выявлении, анализе характера обнаруженных дефектов, определении причин возникновения, назначении и выполнении мероприятий по предотвращению дефектов.

Во время затвердевания отливки происходит ряд нежелательных процессов, которые могут вызвать образование усадочных полостей, так называемых усадочных раковин (рис.1). Этот процесс называется усадкой. Отливки с усадочными раковинами в сечении в большинстве случаев непригодны для использования, поэтому при их изготовлении пытаются вывести усадочную раковину в дополнительный объем, называемый прибылью (рис. 2).

Рис.1. Внешний вид отливки с дефектом в виде усадочной раковины

* I_

Прибыль

Рис. 2. Расположение прибылей на литниковой модели

Плотное строение отливки может быть обеспечено лишь при осуществлении притока жидкости из прибыли. Естественно, что сплав в ней должен затвердевать в последнюю очередь. Стремятся, чтобы на прибыли уходило как можно меньше сплава, чтобы они действовали с должной эффективностью. Поэтому необходимо управлять температурными полями затвердевающей системы отливка-прибыль. В идеальном случае добавочный объем

сплава полностью перемещается в затвердевающую отливку, причем на затвердевающей отливке никакого избытка металла не остается. На практике нельзя рассчитывать на идеальную величину прибыли.

Для уменьшения расхода металла целесообразно применение тепловой защиты прибыли. Защита состоит из теплоизоляционной вставки (рис. 3-4), которая замедляет затвердевание прибыли с наружной стороны.

Рис. 3. Теплоизолирующая вставка

Рис. 4. Виды изотермических оболочек

Применение теплоизолирующих вставок (обкладок) позволяет значительно повысить выход годного литья по сравнению с традиционными не утепленными прибылями (рис. 5).

Теплоизолирующая вставка

процессы обработки отливок. Образование неметаллических включений вызвано перемешиванием шлака с металлом при его плавке, сливе в раздаточный ковш и заливке в литейную форму прочими факторами.

Применение керамических фильтров типа ФКТ существенно снижает образование перечисленных дефектов. Внешний вид фильтров представлен на рис. 6. Материал фильтров - модифицированный карбид титана.

Рис. 5. Использование теплоизолирующих вставок и фильтров в литниковых моделях

Еще одной из немаловажных проблем литейного производства являются неметаллические включения, всегда присутствующие в расплавленном металле и вызывающие такие дефекты, как шлаковые и газовые раковины, газовую пористость, что снижает качество отливок и их механические свойства. Последующие операции по удалению дефектов заметно усложняют и удорожают

Рис. 6. Керамические фильтры

Фильтры ФКТ выдерживают температуру до 2000° С, не имеют ограничений по типу фильтруемых сплавов, что является их преимуществом по сравнению с фильтрами из традиционных видов керамики (кварц, корунд, окись циркония и др.). Кроме снижения количества твёрдых и жидких неметаллических включений, использование фильтров позволяет снизить содержание растворённого в металле кис-

лорода и за счёт этого снизить газовую пористость отливок. Эта особенность присуща только данным фильтрам.

Таблица 1

Предприятия - поставщики фильтров и вставок

Наименование изделия Производитель Цена за 1 шт. без НДС, руб.

Фильтр керамический ФКТ (карбид титана модифицированный) для крупных стальных отливок ООО «Термосинтез», г. Челябинск 127

Фильтр сетчатый стекловолоконный для мелких и средних стальных отливок ООО «МиСМиТ», Белоруссия 7,45

Фильтр сетчатый стекловолоконный для чугунных отливок ООО «МиСМиТ», Белоруссия 6,07

Вставка прибыльная, изотермическая оболочка, вы с окотемпературная теплоизоляция для мелких стальных отливок ООО «Богдановичский завод высокотемпературных изделий», г. Богдановичи Свердловской области 60,0

Вставка прибыльная изотермическая оболочка, вы с окотемпературная теплоизоляция для средних стальных отливок ООО «Богдановичский завод высокотемпературных изделий», г. Богдановичи Свердловской области 90

Вставка прибыльная изотермическая оболочка, вы с окотемпературная теплоизоляция для крупных стальных отливок ООО «Богдановичский завод высокотемпературных изделий», г. Богдановичи Свердловской области 120

Показатель Сумма, млн руб.

Экономия:

экономия затрат на основные материалы 134,16

экономия затрат на топливо, электроэнергию 37,36

экономия затрат на заработную плату 31,32

экономия от сокращения потерь на окончательный брак 3,00

Итого экономия на прямых затратах 204,74

Затраты на приобретение вставок, фильтров 46,72

Годовой экономический эффект 158,02

Виды брака Процентное соотношение

Течь в тело 23,15%

Песочная раковина 37,89%

Усадочная раковина 2,1%

Газовая раковина 6,31%

Чернота, зарезы 4,21%

Выход годного данной детали составляет 53,7% с учетом заливки 2 штук в кусте, полный вес куста составляет 860 кг.

Таким образом, получается так, что только 26,34% из залитых деталей являются годными.

Рассмотрим другой корпус отливки ТЛ13001-250.1

Была выполнена 21 заливка, 11 из которых имеют различного рода дефекты (табл.4, рис. 8).

Внедрение технологии не требует серьёзных капитальных вложений, затраты необходимы только на приобретение вставок и фильтров (дополнительные прямые затраты), а также незначительную доработку литейной оснастки (табл. 1). Результаты оценки экономической эффективности внедряемой технологии на предприятиях области приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты оценки экономической эффективности внедряемой технологии

На ОАО «Икар» сделан анализ дефектности по нескольким основным отливкам, произведен анализ дефектности.

Рассмотрим корпус ТЛ13001-300.1 Было залито 95 моделей, 70 из которых имели дефекты (табл. 3, рис. 7).

Таблица 3

Газовая раковина 6,31%

Усадочная раковина 2,1%

Чернота, зарезы 4,21%

Годные 26,34%

Песочная раковина 37,89%

Течь в тело 23,15%

Рис. 7. Анализ дефектности отливки корпуса ТЛ13001-300.1

Таблица 4

Виды брака Процентное соотношение

Течь в тело 9,52%

Песочная раковина 4,76%

Усадочная раковина 28,57%

Газовая раковина 4,76%

Трещины 4,76%

Годные 47,7%

Течь в тело 9,52%

Песочная раковина 4,76%

Усадочная раковина 28,57%

Трещина 4,76%

Газовая раковина 4,76%

Рис. 8. Анализ дефектности отливки корпуса ТЛ13001-250.1

Выход годного данной детали составляет 55,4%, с числом 2-х отливок в кусте, где полный вес куста составляет 650 кг.

Данные процентные соотношения указывают на большое количество брака, который можно и нужно исправлять, но для этого необходимо внедрение технологий компьютерного моделирования литейных процессов и ресурсосберегающих технологий.

В настоящее время на ОАО «Икар» ведутся переговоры о покупке формовочной линии, которая в свою очередь позволит осуществлять заполнение форм, уплотнение, отверждение, протяжку, окрашивание, просушку, про-

ставку стержней, сборку форм в автоматических и полуавтоматических режимах. Это приведет к устранению различного рода дефектов, одним из которых является течь в тело. Но стоит отметить, что важным аспектом при покупке такой линии являются печи. Их завалка должна соответствовать параметрам приобретаемой линии, в противном случае неравномерность в работе приведет к нецелесообразности применения линии.

Другие дефекты, такие как песочная раковина, шлаковые включения, усадочная раковина, позволяют устранять термоизолирующие вставки различного рода, фильтры. Применение термоизолирующих вставок дает возможность значительно повысить выход годного литья, устранить усадочные раковины. Использование фильтров влияет на уменьшение неметаллических включений, которые являются неотъемлемой частью расплавленного металла и вызывают шлаковые включения, газовые раковины, газовую пористость.

Основная идея предлагаемых подходов в комплексности мер. Использование лишь теплоизолирующих вставок не является панацеей для решения всех задач по технологической подготовке литейного производства -часто конфигурация и размещение питающих прибылей выбираются исходя их эмпирического опыта технолога-литейщика, случайно, наугад, без глубокой проработки параметров литейной модели. Далее делается пробная заливка, её разрезание для контроля качества, анализ и изменение литниковой модели. Затем опять заливка, разрезание и так далее пока технолог-литейщик не будет удовлетворен результатом. Выходом из сложившейся ситуации служит компьютерное моделирование литейных процессов, позволяя без особых затрат проектировать литниковые модели, осуществлять их заливку, в реальном времени наблюдать все теплофизические процессы в отливке, по множеству критериев контролировать отливку в любом фазовом состоянии и на основе получаемых данных производить оптимизацию литниковой системы, не расходуя при этом ни грамма металла, формовочной смеси и других материалов.

Результатом работы СНИЛ КГУ «CALS технологии в машиностроении» (http://sapr.kgsu.ru) стал научно-исследовательский проект, в рамках которого проводится промышленная апробация предложенной технологии - использование систем компьютерного моделирования литейных процессов. ОАО «Икар» - Курганский завод трубопроводной арматуры - предоставил конструкторско-технологическую документацию по корпусам «К3-13011-150М», «K3-13011-400.1». Коэффициент выхода годного, характеризующий собственно уровень проработки литейной технологии, а само собой и стоимость отливки для действующей технологии составлял порядка 0,41 и 0,47 соответственно. Кроме того, существующая технология не позволяла получать полноценную качественную отливку - в некоторых местах отливки наблюдались дефекты, например усадочные раковины, что в свою очередь вызывало дополнительные проблемы при механической обработке данной отливки и соответственно требовало дополнительных вложений денежных средств на доработку отливки. Данное обстоятельство опять же сказывалось на себестоимости готового изделия и конкурентоспособности продукции (рис. 9-10).

Выполненное моделирование литейной технологии и оптимизация ее параметров с использованием прогрессивных конструкций питающих прибылей и экзотермических вставок на них позволили провести модификацию литейной технологии, позволившую по теоретическим расчетным данным поднять коэффициент выхода годного до 0,54 и 0,58 соответственно (рис. 11-14).

По укрупненным экономическим расчетам такое

повышение выхода годного позволит на объеме годового выпуска данных корпусов 400 и 150 штук экономить порядка 34 554 и 232 761 рублей (табл. 5). На данном этапе осуществляется процесс внедрения предложенной литейной технологии на ОАО «Икар» - Курганский завод трубопроводной арматуры, что позволит в скором времени сравнить теоретические расчеты с реальными, полученными на производстве.

Рис.9. Трёхмерная модель действующей литниковой системы

Рис.10 (а). Результаты моделирования заводской

литниковой системы

Рис.10 (б). Результаты моделирования заводской

литниковой системы

Таблица 5

Технико-экономические показатели от внедрения предлагаемой технологии по корпусу отливки КЗ-13011-400.1 ОАО «Икар»

Исходные данные по отливке

Отливка КЗ13011-400.1

Металл 30ХМЛ

Вес отливки, кг 444,0

Годовая программа выпуска, шт. 150

Фактический выход годного, % 47,8

Планируемый выход годного, % 58,2

Исходные данные для расчета экономии металла

Годовая программа выпуска, тн 66,600

Металлозавалка при факт. ВГ, тн 139,331

Металлозавалка при план. ВГ, тн 114,433

Экономия жидкого металла, тн 24,898

Экономия годного литья, тн 14,490

Исходные данные по затратам на производство 1 тн литья

Затраты на основной материал (с учетом ТЗР) при факт. ВГ, руб. 18 837,26

Затраты на эл.эн., руб. 2 293,00

Затраты на топливо, руб. 158,00

Заработная плата (с учетом доп. и соц. отчислений), руб. 2 663,65

Затраты на основной материал (с учетом ТЗР) при план. ВГ, руб. 15 471,15

Расчет экономии металла в денежном выражении

Экономия от разности затрат на основные материалы, руб. 224 182,81

Экономия эл.эн., топлива, зарплаты, руб. 74 113,20

Общая экономия, руб. 298 296,02

Расчет затрат на изменение технологии

Затраты на вставка теплоизолирующие

Цена без НДС, руб. 60,00

Норма на 1 тн годного литья 8,20

Потребность на годовую программу 546,12

Затраты, руб. 32 767,20

Цена без НДС, руб. 30,00

Норма на 1 тн годного литья 16,40

Потребность на годовую программу 1 092,24

Затраты, руб. 32 767,20

Общие затраты, руб. 65 534,40

Годовой экономический эффект, руб. 232 761,62

Puc.11. Параметры предлагаемой литниковой системы Рис. 12 (а). Трёхмерная модель предлагаемой литниковой

коруса-задвижки КЗ 13011-150М ОАО «<Икар» системы

Рис. 12 (б). Трёхмерная модель предлагаемой литниковой системы

перспективнейших для снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности предприятий не только Курганской области, но и других регионов России.

В.П. Кузнецов, А.И. Маленков, М.М. Федотова Курганский государственный университет, г. Курган

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ БЛАСТ-ПОВЕРХНОСТИ В ДРОБЕСТРУЙНОЙ ТРАССОВОЙ МАШИНЕ

Практика применения опытных образцов самоходных трассовых дробеструйных машин МТД-1420-1 производства ОАО «Курганмашзавод» (рис.1) показала, что одной из важнейших проблем финишной подготовки поверхности трубы при переизоляции с их использованием является выбор оптимальных режимов работы с различными видами инструмента (абразивного материала), обеспечивающих, с одной стороны, требуемое качество обработки с точки зрения обеспечения заданных геометрических характеристик (шероховатости и степени очистки) и физико-механических свойств обработанной поверхности, с другой - достижения максимальной или хотя бы достаточной для данных условий ремонта производительности [1].

Рис. 13 (а). Результаты моделирования предлагаемой

литниковой системы

Рис. 14 (б). Результаты моделирования предлагаемой литниковой системы

При использовании ресурсосберегающих технологий и систем компьютерного моделирования литейных процессов на предприятиях области возможно существенное снижение затрат при производстве отливок за счет повышения выхода годного литья и снижения потерь от брака (например, использование термоизолирующих вставок для снижения веса прибылей, керамических фильтров ФКТ для улавливания неметаллических включений в расплавленном металле, математических моделей процесса литья для осуществления вычислительных экспериментов, оптимизации параметров литейной технологии на компьютерной модели, а не на реальной отливке). Данное направление является одним из

1. Диаметр трубы, мм

2. Скорость перемещения, м/час

3. Число двойных ходов сопла в минуту

4. Расстояние от сопла до трубы (мин), мм

5. Угол качания сопла, о

6. Диаметр пятна очистки, мм

7. Расход воздуха через сопло, м3/мин

8. Давление воздуха, МПа

9. Производительность очистки, м2/час

10. Расход дроби через одно сопло, кг/час

11. Применяемые абразивы: дробь ГОСТ 11964-81Е купрошлак ТУ3989-001-15050378-2003

12. Шероховатость после очистки, мкм

13. Степень очистки (при скорости перемещения 15 м/час) по S/S 055900

14. Установленная мощность двигателей, кВт

1420 15-90 20 250 90 65 6 0,8 14

2500

№0,8 - 1,2 N/CU/G 0,5-2,5 40-60

Sa 2/ 2,02

Рис.1. Машина трассовая дробеструйная МТД-1420-1 и ее технические характеристики