Виртуальный инжиниринг

Моделирование отливки «Зуб ковша» для АО "Уральская Сталь"

В данном примере проводилось моделирование отливки «Зуб ковша» из стали 110Г13Л, получаемой литьем в формы из ХТС. Одновременно в форме заливается две отливки. Заливка выполняется через общую отводную прибыль.

Основной задачей моделирования является проведение расчета заполнения формы расплавом с определением возможности размыва формы и попадания неметаллических частиц в тело отливки, а также кристаллизация отливки с определением картины распределения усадочных дефектов.

Так как куст отливок симметричен относительно литниковой системы, в задаче рассматривалась только половина геометрии в осесимметричной постановке, что позволяет сократить время моделирования при достижении той же точности расчетных результатов.

Рисунок1 - Конечно-элементная модель отливки с литниково-питающей системой, используемая для моделирования

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 ходе заполнения можно отметить, что верхняя часть отливки заполняется металлом с температурой ниже температуры Ликвидус. Это может привести к образованию неспаев на поверхности отливки.

Рисунок 2 - Заливка формы с распределением температуры

Для оценки риска образования недоливов и неспаев используется параметр «Чувствительность к недоливам». Красным и оранжевым цветом отмечаются зоны с высокой вероятностью формирования данных дефектов, желтым – места с ограниченным риском появления недолива, который может проявиться при дополнительных условиях (пониженной температуре заливки, ограниченном выходе воздуха из формы). В данном случае это в основном верхняя поверхность отливки, где металл при заполнении охлаждается ниже температуры Ликвидуса.

Рисунок 3Оценка параметра «Чувствительность к недоливам»

При оценки скорости потока можно выявить зоны в которых достаточно продолжительное время воздействует критическая скорость течения металла, что может привести к размыву формы.

Рисунок 4 - Заливка формы с распределением скоростей

Также для оценки размыва формы используется критериальный параметр «Размыв формы». Данный параметр отображает высокую вероятность эрозии формовочной смеси в питателе и прибыли, а также в полости отливки при стекании металла в нижнюю часть. Это может привести к песчаным засорам в теле отливки.

Рисунок 5 - Критерий размыва формы

Для определения общего характера движения неметаллических частиц в сплаве и мест их скопления используем параметр «Трассировка частиц». На приведенном рисунке видно, что большое скопление частиц происходит в вершине зуба, там стоит ожидать появление неметаллических включений, которые попали в литниковую систему при заливке или в результате размыва смеси в прибыли. Все частицы формовочной смеси, образовавшиеся в результате эрозии в полости отливки, будут скапливаться в нижней и верхней части основания зуба.

Рисунок 6 - Трассировка неметаллических частиц при заполнении формы

Для выявления тепловых узлов, возникающих в отливке, рассмотрим процесс кристаллизации сплава.

Рисунок 7 - Кристаллизация сплава в форме

В ходе кристаллизации сплава, можно выделить несколько тепловых узлов, образующихся в основании зуба. Данные тепловые узлы отсекаются от основной массы металла крепежными отверстиями. Однако их объем не большой, и они не приведут к появлению крупных усадочных дефектов. В остальном прибыль пропитывает основную часть отливки, и крупных тепловых узлов не образуются.

Рисунок 8 - Кристаллизация сплава в форме

Распределение усадочных дефектов в теле отливки представлено ниже.

Рисунок 9 - Распределение усадочных дефектов в теле отливки

Рисунок 10 - Распределение усадочных дефектов по сечению отливки

В указанных ранее зонах можно наблюдать образование усадочных рыхлот (3-6% пористости).

Также следует отметить объемный характер затвердевания сплава в основании клина. Это может привести к образованию усадочной микропористости. Для оценки мест образования усадочной микропористости используется критерий Нияма.

Рисунок 11 - Распределение микропористости в отливке (критерий Нияма)