Один из примеров использования компьютерного моделирования в производстве новых видов литья — изготовление коллекторов из высокопрочного чугуна ВЧ-40. Моделирование проводится с учетом действующей технологии литья в песчано-глинистую форму. Входные параметры для построения модели следующие:
- качественные характеристики сплава;
- температура заливки;
- качественные показатели песчано-глинистой смеси;
- известные методики для корректировки качества литья
Основная задача — получение отливок с минимальными дефектами в условиях реального производства. Дополнительные задачи, решаемые в ходе моделирования — выявление мест в которых возможно появление усадочных дефектов.
Изначально проектируется 3D модель отливки внутри литейной формы. На основе модели генерируется конечно-элементная сетка для отливки и литейной формы.
Материал для изготовления стержневой смеси и песчано-глинистой формы в расчетах может приниматься как с одинаковыми, так и с разными характеристиками. В данном проекте материал рассматривается одинаковый.
На основе математической обработки полученная сетка моделируется в конечно-элементную модель (КЭ — модель), отражающую реальные физические характеристики литья, такие как распределение потоков сплава и толщину отливки в разных частях.
На построенной модели можно определить точные геометрические размеры отливки в любом разрезе.
Следующим этапом проводятся гидродинамические расчеты и динамика затвердевания сплава в отливке. Расчеты производятся на основе теплофизических свойств материалов отливки и формы, а также усадочных свойств металла. Преимуществом компьютерного моделирования является возможность визуализация процессов, происходящих при заливке металла в литейную форму.
Процесс формирования отливки можно посмотреть в режиме видеоролика. На любой момент времени можно остановить видеоролик, сделать необходимый разрез отливки и формы с отображением процессов, происходящих в полостях формы.
Программное обеспечение позволяет по временной шкале рассмотреть следующие процессы, происходящие при формировании отливки:
- распределение скоростей в процессе заливки металла в полость формы;
- поле температур металла при формировании отливки
Поле температур металла отливки можно увидеть в любой момент времени и в любом разрезе.
Распределение температур в целом по отливке на промежуточной стадии заполнения.
Поле температур в сечении отливки на момент равный 124 секундам от момента заполнения полости формы металлом показывает формирование тепловых узлов.
Скорость потока металла или температура сплава визуально отображаются разными цветами, согласно принятой шкале соответствий. Точные значения представляются в табличном виде. Анализ скорости металла в процессе заливки, в том числе на границах металла и литейной формы позволяет контролировать скорости течения с целью обнаружения застойных зон, завихрений потока и других процессов, влияющих на качество отливки. Изучение поля температур в металле при заполнении полости формы дает возможность оценить не переохлаждается ли слишком сильно металл при течении, получить поле температур по окончании заливки.
На последующих этапах делается серия расчётов для определения возможных дефектов литья и планирование методов их устранения. В первую очередь это расчеты для установления усадочных дефектов. Они связаны с распределением температур в теле отливки в процессе затвердевания. Первоначальная оценка процесса литья делается при рассмотрении изменения температурного поля в отливке. Для последующего расчета усадочных дефектов применяется метод, основанный на выводе зон, в которых поля расчётных величин находятся выше или ниже определённого задаваемого значения.
Можно произвести любое сечение для определения температуры в формирующейся отливке.
Сечение с выделением зон, где образуются усадочные дефекты в теле отливки.
Далее проводятся расчеты для установления раковин и макро-пористости литья. Данные дефекты формируются в условиях недостатка питания в зонах, расположенных выше уровня зеркала расплава. Методы расчета основаны на вычислении объемной усадки и расчете движения зеркала расплава в каждой изолированной области питания. Для расчетов определяются несколько критических точек:
- точка начала линейной усадки;
- точка прекращения гравитационного течения жидкости;
- точка полного перекрытия меж-дендритных каналов
Эти точки существенно зависят от способа приготовления расплава, от характерных скоростей охлаждения в интервале затвердевания и параметров, связанных с материалами, используемыми для производства отливки.
Важно для правильности расчетов использовать точные сведения по технологии литья и качеству используемых материалов.
В процессе моделирования определяются на каждом временном шаге все изолированные зоны питания и уровень зеркал расплава в каждой зоне.
Формирование дефектов в зоне тепловых узлов.
На графическом изображении выводятся зоны выше определённого значения — изоповерхности для иллюстрации процесса образования изолированного объёма жидкости. Наличие массивных частей, питание которых затруднено, в преимущественно тонкостенной отливке, обуславливает возникновение дефектных зон.
Кроме макро-пористости программа рассчитывает и микро-пористость, формирующуюся в условиях недостатка питания в зонах, которые потенциально находятся в удачных по питанию условиях (ниже зеркала расплава).
По результатам компьютерного моделирования строится модель процесса формирования отливки. Программа позволяет рассмотреть этот процесс в различных сечениях и разные интервалы времени с момента подачи расплавленного металла до полного затвердевания отливки. В результате расчетов в данном проекте установлено возникновение следующих дефектов:
- определены зоны, где образуются усадочные дефекты в теле отливки;
- установлены места с наличием раковин и макро-пористости на поверхностях отливки;
- сделана оценка поверхности литья по наличию микро-пористости.
Полученные результаты применяются для корректировки технологии литья. Правильное изменение литниковой системы и подбор материалов приводят к устранению дефектов в проблемных зонах. Результат изменений — отливки с минимальными дефектами литья.