Виртуальный инжиниринг

Расчет отливки «Втулка»

На сегодняшний день все больше и больше предприятий включает в цепочку производства инженерные расчеты в специализированных программных пакетах для технологических и конструкционных задач. Предприятия, связанные с литейным производством также не являются исключением. Использование программных продуктов для моделирования литейных процессов, позволяющих предсказывать появление литейных дефектов, микроструктуру отливки и оптимизировать параметры технологии, обеспечивает экономию средств для отладки технологии на опытных образцах, ускоряет время проектирования, тем самым, повышая конкурентоспособность производства.

В данной статье рассматривается пример решения задачи отработки технологии литья для Улан-Удэнского локомотивовагоноремонтного завода.

Задача состояла в расчете отливки «Втулка», изготавливаемой методом литья в песчано-глинистые формы из стали 20ГЛ. Моделирование задачи проводилось в программном комплексе ProCAST (разработчик ESI-Group, Франция).

В одной форме заливаются одновременно 20 отливок; геометрия куста не симметрична, поэтому невозможно было упростить модель и провести расчет половины или четверти модели. Не смотря на отсутствие упрощений, время численного решения в ProCAST полной модели на современном двуядерном компьютере занял около 10 часов, что является приемлемым результатом.

Задачи моделирования для данной технологии включают в себя стандартные в таких случаях вопросы:

  • заполнение полости формы металлом
  • кристаллизация сплава и образование усадочных дефектов
  • охлаждение отливки в форме

Кроме вышеперечисленных возможностей программный комплекс ProCAST предназначен для решения узкоспециализированных задач моделирования литейных процессов, таких как расчет напряженно-деформированного состояния отливки, микроструктуры, размеров и направления роста зерен, обратный (инверсный) расчет для определения начальных условий процесса по полученным экспериментальным данным (например, теплопроводность, теплоемкость формовочной смеси или сплава).

Анализ заполнения формы позволяет выявить эффективность литниковой системы, определить дефекты по недоливу, холодному спаю, места с высокой скоростью течения и возможностью размыва формы или стержня. В нашем примере заполнение имеет спокойный характер, без всплесков, следовательно, в отливке маловероятно образование газовых пор и песчаных засоров.

Анализ кристаллизации отливки позволяет увидеть технологу-литейщику то, что раньше было скрыто от него в форме: характер затвердевания сплава, образующиеся тепловые узлы в отливке, эффективность питания прибылей. На рисунке ниже можно увидеть тепловые узлы в отливке, которым недостаточно питания жидким металлом.

В результате усадочная картина в отливке выглядит следующим образом. В центре теплового узла, удаленного от литниковой системы, образуется усадочная раковина с распределенной усадочной пористостью, направленной к фланцу отливки. Результаты расчета по усадочным дефектам также подтверждаются экспериментальными данными; для выявления дефектов разрезалось несколько отливок из пробной партии.

После такого расчета необходимо провести оптимизацию технологии литья (изменить место подвода металла, оптимизировать литниково-питающую систему, температуру заливки и/или температуру нагрева формы, использовать установку холодильников). Все эти варианты можно также опробовать в виртуальном пространстве ProCAST без излишних трат на изготовление моделей и форм, затрат на электроэнергию и плавку металла для пробных партий отливок.

По результатам расчета в ProCAST выявлена высокая сходимость результатов моделирования технологии литья с цеховыми данными, программный комплекс рекомендован к приобретению на Улан-Удэнском локомотивовагоноремонтном заводе для дальнейшего использования в литейном производстве.