ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ МИКРОПОРИСТОСТИ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОЦЕССА В ProCAST
© Абдуллин Альберт Данильевич
Группа компаний «ПЛМ Урал» - «Делкам-Урал». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: aad@delcam-ural.ru Статья поступила 01.03.2013 г.
Рассмотрен пример компьютерного моделирования процесса литья крупногабаритной стальной отливки «Пробка шарового крана» с целью определения зон концентрации макро- и микропористости. Приводятся ключевые моменты постановки задачи в программном комплексе ProCAST, результаты моделирования и сравнение полученных дефектов с экспериментальными цеховыми данными.
Ключевые слова: стальное литье; компьютерное моделирование литейных процессов; ProCAST; усадочные дефекты; микропористость.
Система моделирования литейных процессов ProCAST от компании ESI Group (Франция) на сегодняшний день успешно используется на многих российских предприятиях авиационной промышленности (ОАО «Авиадвигатель», ОАО «Пермский моторный завод», ОАО «НПП "Салют"», ОАО «Иркутский авиационный завод», ОАО «НПО "Сатурн"»), автомобилестроения (ОАО «КамАЗ-Металлургия», ОАО «Ульяновский Автомобильный Завод»), железнодорожной отрасли (ООО «ПК «Новочеркасский электровозостроительный завод», ООО «ПК «Бежецкий сталелитейный завод», ОАО «Улан-Удэнский ло-комотивовагоноремонтный завод»), ракетно-космической отрасли (ФГУП «НПО "Техномаш"») и других. Применение программного комплекса ProCAST на стадии проектирования технологии позволяет проверить несколько вариантов технологии, выбрать из них наиболее оптимальный, устранить наиболее неблагоприятные дефекты, практически полностью избавиться от применения тестового производства изделий. В сложившейся ситуации очень важно, что применение компьютерного моделирования позволяет молодым специалистам без дополнительных затрат накопить необходимый производственный опыт, исключив дорогостоящие ошибки при проектировании технологии.
На наших предприятиях ProCAST чаше всего применяется для выявления мест концентрации макро- и микропористости, дефектов заполнения формы (размыв формы или стержня, захват воздуха при течении металла, образование холодно-
го спая, трассировка неметаллических частиц и др.), дефектов напряженно-деформированного состояния отливки (холодные и горячие трещины, коробление), реже для определения фазовой структуры и формы зерна металла отливки.
Рассмотрим один из показательных примеров выявления усадочных дефектов в отливке с помощью компьютерного моделирования процесса в РгоСАБТ.
Осенью 2012 г. нами была проведена демонстрация применения моделирования для одного из предприятий нефтегазовой отрасли с целью предоставления возможностей РгоСАБТ в области выявления пористости отливок. В качестве тестового примера на предприятии была выбрана отливка из углеродистой стали 20Л «Пробка шарового крана» (внешний радиус пробки 2,1 м) (рис. 1). Для заливки одной формы необходимо 14,5 т жидкого металла. Технология изготовления отливки предусматривает установку десяти внешних стальных холодильников, утепление прибыли послойной оболочкой из экзотермической смеси и теплоизоляции, использование хромитовой смеси в качестве облицовочного слоя. Форму заливают из двух ковшей, подвод металла осуществляется по разъему формы, две литниковые системы направляют поток фрон- ^ тально друг к другу. Заполнение формы длится ™ от 4 до 6 мин.
Пробка является запирающим элементом в кранах магистральных газопроводов, поэтому к £ ней предъявляются высокие требования по ма- 5 кро- и микропористости. При этом на внешней г
ее стенке снимается достаточно большой слой металла при механообработке, а затем ее поверхность шлифуется для достижения высокой точности. Во время этой операции на поверхности отливки методом капиллярной дефектоскопии обнаруживается большое количество микропор усадочного происхождения (рис. 2). Наличие такого вида дефекта неприемлемо, и большая часть изделий уходила в брак. В связи с этим основными целями моделирования являлись определение данного дефекта в пост-процессоре РгоСЛБТ и выявление причин его образования.
При моделировании процесса литья подобного рода крупногабаритных отливок могут возникнуть затруднения, связанные с нехваткой вычислительной мощности расчетной станции, длительностью проведения расчета - от нескольких недель до месяца. Чем больше габариты модели и меньше минимальная толщина стенки отливки, а также чем больше продолжительность рассчитываемого процесса, тем, в конечном итоге, понадобится больше времени на расчет.
Программный комплекс РгоСЛБТ помогает оптимизировать эту задачу, уменьшив расчетную нагрузку на процессор, но при этом сохранив необходимую точность расчета. Для решения задачи мы применяли осесимметричную постановку и граничное условие «виртуальная форма».
Так как выбранная модель полностью симметрична в фронтальной и профильной плоскостях, то при моделировании процесса литья можно рассматривать только половину или даже четверть модели. Для этого в препроцессоре программы на плоскостях отсеченной модели задаются специальные граничные условия для того, чтобы исключить движение теплового потока с плоскости симметрии отливки.
В нашей задаче мы использовали только половину модели с одной веткой литниковой системы (рис. 3). После проведения расчета можно зеркально отобразить результаты для просмотра полной картины относительно всей модели (рис. 8).
С целью построения расчетной конечно-элементной сетки для половины модели отливки мы воспользовались новой программой У18иа1МЕ8И, ¡2 включенной в поставку программного обеспечения РгоСЛБТ. При создании сетки был увеличен ™ размер ячейки для прибыли и холодильников с целью уменьшения расчетной нагрузки. Предварительный расчет показал также, что в первый 5 промежуток времени при заливке формы проис-г ходят удар струи в стержень и стекание металла
в нижнюю часть формы. При таком характере заполнения наблюдаются высокая скорость течения, разбрызгивание металла, образование небольших тонких потоков металла, поэтому для получения адекватных результатов решения гидродинамической задачи необходимо использовать более дробную сетку в зоне питателей и подвода металла. С этой целью был выделен отдельный объем в отливке, для которого установлен вдвое меньший размер ячейки (см. рис. 3). После заполнения половины объема формы скорость заполнения выравнивается, и фронт металла поднимается более спокойно, вследствие чего нет необходимости сильно уменьшать расчетную сетку во всем объеме отливки. В целом, благодаря новому удобному интерфейсу программы VisualMESH и автоматическим функциям для корректировки геометрии и сборки элементов построение сетки занимает не более 30-40 мин рабочего времени.
Граничное условие «виртуальная форма» - специальный параметр, определяющий интенсивность теплоотвода от отливки к форме, а также учитывающий различное расположение частей отливки относительно друг друга, т.е. при этом определяются разогретые места формы, где охлаждение отливки будет замедлено. Таким образом, отпадает необходимость построения конечно-элементной сетки для формы, при моделировании не требуется расчет изменения температуры формовочной смеси, благадаря чему значительно экономится время моделирования. Такое упрощение можно применять для моделирования литья в малотеплопроводные формы (песчано-глинистые, ХТС, ЖСС и пр.).
Вышеизложенный комплекс мер для оптимизации расчета позволил провести моделирование в относительно короткие сроки: на современном стационарном компьютере (процессор Core i7-3770 (3.40ГГц), 8Гб оперативной памяти DDR-III) при расчете задачи на четырех процессорах моделирование заняло около 25 ч, что для такой сложной задачи является приемлемым результатом. Ниже представлены результаты компьютерного моделирования.
Характер заполнения формы можно проследить, используя отображение температуры металла (рис. 4) и векторов движения потока (рис. 5). Как уже отмечалось выше, подвод металла по разъему формы приводит к высокой скорости течения металла, гидравлическому удару струи в стержень, образованию турбулентного течения, что может вызвать размыв смеси и
Рис. 1. Общая геометрия отливки «Пробка шарового крана» с литниково-питающей системой
Рис. 2. Дефекты микропористости в отливке, выявленные методом капиллярной дефектоскопии
Рис. 3. Конечно-элементная сетка отливки, холодильников и теплоизолирующих элементов
Рис. 4. Отображение результатов заполнения формы с распределением температуры металла
Рис. 5. Отображение результатов заполнения формы: векторы течения потока металла
Рис. 6. Трассировка неметаллических частиц в сплаве
в дальнейшем — образование песчаных засоров в отливке. После заполнения половины формы и скорость заполнения выравнивается, и движение расплава равномерным фронтом идет к прибыли.
С помощью специального параметра «трассировка частиц» можно также определить путь движения неметаллических включений (формовочной смеси, шлака и пр.) и возможное место их скопления в отливке (рис. 6). В данном случае при направлении движения частиц от подвода металла к прибыли возможно их незначительное скопление во внутренней стенке пробки.
X*
л*
Рис. 7. Кристаллизация сплава в форме с отображением доли твердой фазы: а - неравномерная кристаллизация стенки пробки;
б, в — образование крупных тепловых узлов в отливке
о.
>
< Рис. 8. Изображение крупных усадочных дефектов в отливке (а) и распределения микропористости (б)
Характер кристаллизации отливки удобнее всего определять, используя параметр «доля твердой фазы». Настройка параметров отображения в пост-процессоре РгоСЛБТ позволяет установить диапазон отображаемых значений от 0 до 60% твердой фазы. Все значения, выходящие за эти рамки, скрываются в рабочем окне. Таким образом, отображается только жидкий металл, сохранивший жидкотекучесть, что позволяет определить характер затвердевания, направление фронта кристаллизации, образование локальных тепловых узлов, обусловленных геометрией изделия и тепловыми условиями охлаждения отливки. В нашем случае образуется несколько жидких карманов в нижней части пр
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.