1. Постановка задачи

С целью ознакомления с возможностями новой версии САМ ЛП LVMFlowCV, основанной на методе контролируемого объема, провели компьютерное моделирование тестовой отливки. В случае неэффективности данной технологии, необходимо предложить варианты ее оптимизации.

2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАЛИВКИ, ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНИЙ

Тестовой ОТЛИВКИ

3D-модель отливки с ЛПС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — 3D-модель тестовой отливки с ЛПС

2.1 Технологические данные для моделирования

Исходные данные для компьютерного моделирования задавались согласно действующей на ЗАО «КНЗ» технологии:

• марка сплава – сталь 12Х18Н9ТЛ;
• температура заливки металла – 1560 ^оС;
• формовочная смесь – кварцевый песок;
• начальная температура формы – 20 ^оС;
• покраска формы – цирконовая краска;
• материал холодильника – углеродистая сталь;
• начальная температура холодильника – 20 ^оС;
• масса отливки с ЛПС – 124 кг;
• напор – 100 мм;
• время заливки – 25 с;
• температура выбивки – 800 ^оС.

2.2 Моделирование процессов заливки и затвердевания тестовой отливки в модуле «Полная задача»

Так как при моделировании в модуле «Затвердевание» предполагается, что форма заполнена металлом мгновенно, то есть не учитывается разогрев формы в процессе заливки, то этот вид расчета является предварительным. Для получения более точных результатов был проведен расчет заливки и последующего затвердевания отливки в модуле «Полная задача».

Процесс заливки металла через определенные промежутки времени представлен на рисунках 2а – 2ж. Моделирование в модуле «Полная задача» дало следующие результаты.

Усадочные дефекты в теле отливки наблюдаются в районе кольцевого холодильника в нижней части отливки. То есть с точки зрения усадки действующая технология является не эффективной (рисунки 3а – 3г).

Также в модуле «Полная задача» проведен расчет на наличие микропористости, о которой судят по критерию Нияма. Результаты данного расчета представлены на рисунках 4а – 4в. Небольшая микропористость возможна в тонкой стенке отливки в районе установки холодильника.

Рисунок 2 – Процесс заливки в интервале времени

Рисунок 3 – Усадочные дефекты в непрозрачном 3D-виде

Рисунок 4 – Микропористость в непрозрачном 3D-виде

2.3 Расчет напряжений в модуле «Напряжения»

Для проведения данного расчета основным условием является наличие в банке материалов САМ ЛП LVMFlowCV данных по механическим свойствам используемого сплава (модуль Юнга, предел текучести, предел прочности и т.д). Для используемой стали 12Х18Н9ТЛ это условие полностью выполняется.

При выполнении данного расчета температура, при которой отливка извлекалась из формы, составляла 800 ⁰С.

Результаты расчета напряжений, возникающих в отливке, представлены на рисунках 5а – 5е.

В упруго – пластической модели, заложенной в САМ ЛП LVMFlowCV, предполагается, что образование горячих трещин соответствует хрупкому типу разрушения, и о вероятности их образования необходимо судить по максимальному растягивающему напряжению (вероятность выше в тех местах, где оно положительно либо значительно превышает значения в соседних областях).

Прогнозирование холодных трещин необходимо вести по работе пластического деформирования, так как в САМ ЛП LVMFlowCV при образовании холодных трещин предполагается пластический тип разрушения (вероятность образования холодных трещин выше в тех местах, где она значительно превышает значения в соседних областях).

Рисунок 5а – Результаты расчета напряжений

2.4 Анализ результатов

В результате моделирования в САМ ЛП LVMFlowCV было установлено, что применяемая на ЗАО «КНЗ» технология изготовления тестовой отливки с точки зрения усадки является не эффективной. Небольшая микропористость возможна в тонкой стенке в районе установки холодильника.

Расчет напряжений показывает, что опасными участками с точки зрения образования горячих трещин являются места установки прибылей и элемент отливки в виде кольцевой шейки в районе холодильника (растягивающее напряжение в указанных местах максимальны). Поражение отливки холодными трещинами маловероятно, т.к. работа пластической деформации практически однородно распределена по объему отливки.

Такой показатель как смещения характеризует линейную усадку. Визуально изменение размеров отливки в процессе затвердевания и охлаждения было оценено в 3D-виде с коэффициентом увеличения 2 (рисунок 5д).

Линейная усадка в плоскости оценивается при помощи инструмента «расстояния». Как видно из рисунка 5е, наружный размер до деформации имел значение 250,8 мм, а после деформации – 247,1 мм. То есть, в пределах данного размера линейная усадка составила 3,7 мм. Внутренний размер до деформации имел значение 174,6 мм, а после деформации – 172,2 мм, т.е. в пределах этого размера линейная усадка составила 2,4 мм.

3 Оптимизация технологии изготовления отливки

Как показали результаты моделирования, используемая технология не позволяет получить отливку бездефектной. Нами были предложены следующие возможные пути решения данной проблемы:

1 вариант – установить наружный кольцевой стальной холодильник непосредственно под основание отливки, тем самым, пытаясь реализовать принцип направленного затвердевания (рисунок 6).

2 вариант – использовать сочетание наружного (1 вариант) и внутреннего холодильников, чтобы осуществить захолаживание теплового узла (рисунок 8).

3 вариант – регулировать время заливки, т.е. уменьшить ее до 15 с или увеличить до 35 с, и проследить влияние на усадку.

В 4 разделе описаны результаты моделирования по всем вариантам.

4 Компьютерное моделирование предложенных вариантов технологии литья

4.1 Моделирование первого варианта

Под основание отливки был установлен стальной холодильник в виде кольца, высотой 30 мм (рисунок 6) и проведен расчет заливки и затвердевания в модуле «Полная задача».

Рисунок 6 – Первый вариант (холодильник – желтый цвет)

На рисунках 7а – 7в представлены результаты моделирования по усадочным дефектам.

Рисунок 7 – Усадка при 1 варианте (прозрачная 3Д-модель)

Анимация процесса заливки и затвердевания представлена во вложенном *avi файле.

Анимация, 1 вариант. Жидкая фаза

Анимация, 1 вариант. Жидкая фаза, сечение

Анимация, 1 вариант. Температура

4.2 Моделирование второго варианта

Под основание отливки был установлен кольцевой стальной холодильник как в 1-м варианте, а на высоте 65 мм от основания отливки установлен внутренний кольцевой холодильник, диаметром 100 мм и толщиной 15 мм (рисунок 8) и проведен расчет затвердевания в модуле «Затвердевание».

Рисунок 8 – Второй вариант

(красный цвет – наружный холодильник, желтый цвет — внутренний)

На рисунках 9а – 9в представлены результаты моделирования по усадочным дефектам.

Анимация процесса заливки и затвердевания представлена во вложенном *avi файле:

Анимация, 2 вариант. Жидкая фаза.

Анимация, 2 вариант. Жидкая фаза, сечение.

Анимация, 2 вариант. Температура.

Рисунок 9 – Усадка при 2 варианте (прозрачная 3Д-модель)

4.3 Моделирование третьего варианта

Т.к. из рассмотренных вариантов положения холодильников не удалось полностью исключить дефекты из отливки, то использовали следующий возможный прием – регулировка скорости заливки, а именно рассмотрели варианты, когда время заливки составляет 15 с и 35 с. Результаты моделирования данных вариантов в модуле «Полная задача» представлены на рисунках 10а – 10в и 11а – 11в.

Анимация процесса заливки и затвердевания представлена во вложенном *avi файле:

Анимация, 3 вариант. Жидкая фаза, 15 c

Анимация, 3 вариант. Жидкая фаза, сечение, 15 c

Анимация, 3 вариант. Температура, 15 c

Анимация, 3 вариант. Жидкая фаза, 35 c

Анимация, 3 вариант. Жидкая фаза, сечение, 35 c

Анимация, 3 вариант. Температура, 35 c

Как видно из рисунков 10а – 10в и 11а – 11в, увеличение и уменьшение времени заливки не привело к существенному сокращению дефектов в отливке.

Рисунок 10 – Усадка при времени заливки 15 с (прозрачная 3Д-модель)

Рисунок 11 – Усадка при времени заливки 35 с (прозрачная 3Д-модель)

4.4 Анализ результатов

Промоделировав все 3 предложенных варианта изменения технологии, полностью исключить усадочные дефекты из отливки не удалось, однако смогли минимизировать процент этих дефектов. Т.е. при использовании холодильника в нижней части отливки (под ее основанием) в некоторой степени удается реализовать затвердевание снизу вверх и приблизить усадку к минимуму (вариант 1, рисунки 7).

5. ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате проведенной работы удалось установить следующее:

1. Технология изготовления тестовой отливки с точки зрения усадки является не эффективной.
2. Небольшая микропористость возможна в тонкой стенке отливки в районе установки холодильника.
3. Образование горячих трещин вероятно в местах установки прибылей и элементе отливки в виде кольцевой шейки в районе холодильника.
4. Образование холодных трещин в отливках маловероятно.
5. С помощью модуля «Напряжения» в САМ ЛП LVMFlowCV удалось оценить линейную усадку.
6. Были предложены и промоделированы 3 возможных варианта устранения усадочных дефектов из отливки.
7. Полностью удалить дефекты из отливки не удалось.
8. Минимальный процент дефектов возможен, если установить стальной кольцевой холодильник непосредственно под основание отливки.

Моделирование проходило на персональном компьютере со следующими характеристиками: операционная система Windows Vista Home Premium; процессор Intel(R) Core (TM)2 Duo T 5750 @ 2.00 GHz 2.00 GHz; оперативная память 2038 Мб.

Временные затраты на проведение моделирования представлены в таблице 1.