научная статья по теме АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ И ЗАТРУДНЕННОЙ УСАДКИ СПЛАВА В СИСТЕМЕ PROCAST Металлургия

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ И ЗАТРУДНЕННОЙ УСАДКИ СПЛАВА В СИСТЕМЕ PROCAST»

УДК 621.744

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ И ЗАТРУДНЕННОЙ УСАДКИ СПЛАВА В СИСТЕМЕ ProCAST

© Ердаков Иван Николаевич*, канд. техн. наук; Карпинский Андрей Владимирович, канд. техн. наук; Новокрещенов Виктор Владимирович

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет». Россия, г. Челябинск. *E-mail: wissenschaftler@bk.ru Статья поступила 07.03.2014 г.

В современных условиях жесткой рыночной конкуренции качество и быстрота выполнения заказа играют определяющую роль в получении преимущества относительно других участников рынка. Автоматизированная разработка технологии производства литых заготовок и оперативная корректировка ее параметров на проектной стадии является одним из условий успешного развития современного металлургического предприятия. На основе анализа в системе РгоСЛБТ реального технологического процесса изготовления стальных литых заготовок показана возможность снижения затрат времени на разработку технологической оснастки.

Ключевые слова: пористость; сталь; усадка; моделирование; оснастка; форма.

Системы компьютерного моделирования металлургических процессов (СКМ МП) позволяют учесть многие особенности производства литых заготовок, используя только трехмерные компьютерные модели реальных объектов. Это значительно сокращает или полностью устраняет необходимость изготовления пробных партий изделий, уменьшает время и трудоемкость производства технологической оснастки и, в конечном счете, снижает себестоимость выпускаемой продукции. Кроме того, компьютерная визуализация процессов заполнения форм расплавом и последующего его затвердевания позволяет глубже изучить закономерности формирования отдельной литой заготовки, а значит, эффективно принимать технологические решения для получения высококачественного продукта [1].

Основной задачей в производстве литых заготовок является управление процессом образования пористости затвердевающего сплава [2], а также сопутствующим изменением линейных размеров литой детали. Последнее связано с теплофи-зическими характеристиками конкретного сплава, геометрией детали и физико-механическими свойствами литейного стержня, затрудняющего усадку.

Компьютерный анализ процесса образования пористости и затрудненной усадки сплавов. Макропористость легко устраняется изменением размеров и расположением прибылей. Микропористость формируется на ранней стадии затвердевания, а поры имеют форму, близкую к сферической, так как их рост слабо ограничен

твердыми дендритными осями. Для сплавов, кристаллизующихся в широком температурном интервале, кристаллизация междендритной эвтектики сопровождается усадкой. В этих областях жидкий металл с трудом компенсирует усадку, и появляется усадочная микропористость. Так как такие поры развиваются на последней стадии кристаллизации, когда доля твердой фазы близка к единице, их рост ограничивается хорошо развитыми дендритными осями, и заключительная форма пор извилиста. В конечном счете исследование процесса формирования пористости сплава требует привлечения многих специалистов, а также сопровождается большими временными, материальными и финансовыми затратами.

Не менее сложной является задача расчета затрудненной усадки сплава. Фактическое изменение линейных размеров литого изделия определяется конфигурацией детали, способом подвода металла в полость формы, видом заливаемого сплава, температурой заливки металла, скоростью охлаждения сплава, конструкцией стержня и физико-механическими свойствами стержневой смеси, прогревающейся при контакте с расплавом металла. На практике для конкретных отливок точные значения изменения линейных размеров определяются только экспериментально.

Современный уровень развития автоматизированных систем проектирования позволяет оперативно и достаточно точно проводить анализ процессов формирования пористости и затрудненной усадки сплава [3-9].

На российском рынке САМ МП получили распространение программы, которые при решении дифференциальных уравнений основываются на методе конечных элементов (МКЭ). Алгоритм поузловой интерполяции, лежащий в основе этого метода, позволяет корректно учитывать соотношения объема и теплоотводящей поверхности, что способствует более точному моделированию процессов усадки и коробления литых заготовок. Ведущими системами инженерного анализа считают два программных пакета - РгоСЛБТ и Полигон. Обе системы используют МКЭ, показавший свою эффективность во многих инженерных задачах [10].

В этих компьютерных системах с высокой точностью моделируются такие физические процессы, как заполнение формы расплавом с получением информации о полях скоростей и температуре металла в процессе заливки, затвердевания отливки, формирование усадочной макро- и микропористости. Одновременно с этим возможно решение фильтрационной задачи, включая моделирование полей давления, напряженно-деформированного состояния отливки с учетом образования трещин, а также различных

Рис. 1. Трехмерная модель литой детали «стенка»

Рис. 3. Экспериментальная технология изготовления детали «стенка»: а - с системой выпоров, открытой и закрытой прибылью; б - с одной закрытой прибылью и смещенным

питателем

задач, основанных на постобработке расчетных полей, позволяющих прогнозировать механические свойства, пригар, структурные параметры и т.п. В этих системах математические модели процессов затвердевания, усадки, течения расплавов учитывают многие тонкости различных способов литья.

Однако отличительной особенностью РгоСЛБТ является адекватное моделирование процессов затвердевания металлов вплоть до учета его взаимодействия с газовой атмосферой формы, что имеет большое значение при решении задачи образования газоусадочной пористости в сплаве. Модуль расчета термических напряжений системы позволяет оперативно моделировать изменение геометрии формирующейся отливки.

Результаты промышленного исследования процесса затвердевания литых заготовок. В промышленных условиях Челябинского тракторного завода (ЧТЗ) изучали технологию литья детали «стенка» из стали 35Л (рис. 1). Конфигурация стенки детали не позволяет однозначно решить вопросы подвода металла к форме, выхода газов на стадии заполнения формы и обеспечения принципа направленного затвердевания сплава. Опыт литья на ЧТЗ показал отсутствие устойчивости заводского варианта технологии. Литые стенки периодически получались с дефектом по усадочной пористости.

В соответствии с циклом вычислительного эксперимента были созданы варианты компьютерной модели исследуемой системы в пакете 8оНё"^г1<8, в системе РгоСЛБТ проведены аппроксимация исходной математической задачи, расчет и визуализация результатов компьютерного моделирования.

В заводском варианте технологии изготовления детали «стенка» применяли две верхних прибыли, большая из которых была открытого типа (рис. 2). В двух других (эксперимен-

Рис. 2. Заводская технология изготовления детали «стенка»

тальных) вариантах производства отливок использовали только закрытые прибыли. Причем один вариант предусматривал две верхних прибыли и систему выпоров (рис. 3, а), а другой только одну массивную прибыль и смещение одного питателя от края литой детали (рис. 3, б).

Расчет в РгоСЛБТ для стали 35Л выполняли при следующих начальных условия:

- температура расплава 1550 °С;

- температура всех элементов формы 25 °С;

- начальная скорость заливки формы 0,4 м/с;

- коэффициент теплопередачи на границе «расплав - форма» 500 Вт/(м2-К), на границе «расплав - холодильник» 1000 Вт/(м2-К);

- проницаемость формы 15 ед.

Анализ инжекции воздуха в ходе заполнения формы расплавом проводили по данным четырех контрольных точек системы, показанных на рис. 4. Результаты расчета давления в контрольных точках формы и распределения пористости в отливке «стенка» отображены на рис. 5 и 6 соответственно.

По данным графических зависимостей (см. рис. 5) видно, что в точках 2 и 3 для заводского варианта литья стенки имеет место существенное снижение давления на 15,19-25,33 кПа. Именно это снижение давления при заполнении формы металлом приводит к инжекции воздуха через открытую прибыль, попаданию атмосферных газов в расплав и, как следствие, образованию пористости в момент формирования отливки. В экспериментальных вариантах литья стенки процесс насыщения расплава атмосферными газами существенно замедлен.

Сопоставление результатов моделирования пористости в стенке (см. рис. 6) с фактическими значениями этого дефекта в отливках подтвердило предположение о замешивании в расплав газов из атмосферы через открытую прибыль. Перенос питателя в экспериментальном варианте технологии (см. рис. 3, б) привел к снижению дефектов по размыву стержня и дополнительно улучшил качество стальных заготовок.

Перспективным направлением повышения производительности труда и сокращения времени на разработку технологической документации

Рис. 4. Места расположения четырех точек измерения давления воздуха в ходе заполнении

формы металлом

С

а

03

I

30

20 -

10 -

0 -

< и

СЗ <

-10 -

-20 -

-30

— Ряд 1—Ряд 3 Ряд 2-Ряд 4

Время, с

30

С

а

д

со о

<

-30

30

/г^-СГ _ \

/■ V

-5 10 15 20 2

— Ряд 1 — Ряд 3

Ряд 2 — Ряд 4

Время, с

-30

25

Ряд 1 — Ряд 3 Ряд 2 —Ряд 4

Время, с

Рис. 5. Изменение давления воздуха в контрольных точках формы: а - заводской вариант технологии; б, в - первый и второй экспериментальные варианты технологии

для новых литых деталей является использование системы РгоСЛБТ. Но отсутствие в решателе напряжений РгоСЛБТ строгой деформационной модели для формы сдерживает ее успешное использование на стадии разработки технологической оснастки.

а

5

б

в

^^ В

Рис. 6. Результаты расчета пористости в детали «стенка»:

а - заводской; б, в - первый и второй экспериментальные варианты технологии

Опыт расчета термических напряжений в системе ProCAST показал, что вычисление полей термических напряжений целесообразно вести в следующем порядке:

- расчет изменения линейных размеров отливки без сопротивления усадке со стороны формы, назначив модель для формы - Vacant;

- определение центра усадки конструкции «отливка - литниковая система - прибыль»;

Ри

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком