Виртуальный инжиниринг

Пример моделирования отливки «Корпус» для АО «Воткинский завод»

В данном примере представлены результаты моделирования процесса литья отливки «Корпус», изготавливаемой из нержавеющей стали 09Х16Н4БЛ методом литья по выплавляемым моделям. Моделирование проводилось с целью проверки эффективности предложенной литниково-питающей системы, выявления возможных дефектов усадочного происхождения, а также предоставления рекомендаций по оптимизации технологии.

В Visual-Mesh была построена конечно-элементная сетка для отливки, керамической электрокорундовой оболочки и песчаной формы, в которую формуются оболочки перед прокалкой и заливкой. В одну опоку формуются две оболочки, в задаче рассматривалась только половина формы в осесимметричной постановке. Такой подход с одной стороны позволит сократить время моделирования, а с другой – учесть дополнительный подогрев отливок при их взаимном влиянии друг на друга.

Рис. 1. Сеточная модель отливки, оболочки и наполнителя формы

Для получения более точного распределения температурного поля в форме перед началом заливки, был проведен предварительный тепловой расчет охлаждения опоки с оболочкой на воздухе после операции прокалки (рис. 2). Позже полученные результаты передавались в качестве начальных условий для основного моделирования заполнения формы и кристаллизации сплава.

Рис. 2. Охлаждение формы после извлечения из прокалочной печи перед началом заливки

Заполнение формы проходит за 6 секунд, полость формы заполняется плавно, без всплесков металла и захвата воздуха (рис. 3-4). В следствии высокой температуры формы, металл не успевает охладиться до критического значения, при котором возможно появление недоливов или неспаев в отливке. Критерий недолива формы (рис. 5) отображает незначительную вероятность появления данных дефектов в тонких сечениях – стяжках отливки, которые не являются конструктивной частью изделия.

Рис. 3. Заполнение формы с распределением температуры металла

Рис. 4. Заполнение формы с распределением скорости потока

Рис. 5. Критерий недолива формы

Оценка эвакуации воздуха из формы (рис. 6) показывает отсутствие захвата воздуха в полости отливки, что предотвращает появления дефектов газовой пористости в будущей отливке. Однако можно проследить скопление воздушных пузырей в полке корпуса, что может привести к неполному заполнению металлом данной зоны, если не будет предусмотрена установка выпоров для выхода воздуха.

Рис. 6. Эвакуация воздуха из формы при заполнении

Анализ кристаллизации сплава в форме после заполнения (рис. 7-9) показывает образование двух тепловых узлов в нижней части отливки, которые затвердевают изолированно от основной массы металла и приведут к появлению усадочных дефектов в этом месте.

Рис. 7. Заполнение формы и кристаллизация металла в объеме отливки

Рис. 8. Заполнение формы и кристаллизация металла в сечении отливки

Рис. 9. Формирование тепловых узлов в отливке, затвердевающих изолированно

В результате в отливке концентрируется крупная усадочная раковина в месте ранее выявленного теплового узла, а также усадочные рыхлоты в зоне подвода металла и в полке отливки (рис. 10). Формирование крупных усадочных дефектов в отливке в первую очередь связано с геометрией изделия. Для создания направленного затвердевания металла и устранения данного дефекта, можно использовать внешнее утепление оболочки минеральной ватой под прибылью, что позволит снизить скорость остывания металла в этой зоне и повысит эффективность работы прибыли.

Рис. 10. Распределение усадочных дефектов в сечении отливки