5УДК 671.12
Темербаева Елена Анатольевна Temerbaeva Elena Anatol'evna
Аспирант Post-graduate student Сибирский федеральный университет Siberian Federal University
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЮВЕЛИРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ NUMERICAL MODELING IN JEWELRY ENTERPRISE
Аннотация: В данной статье предлагается численное моделирование процессов литья золотых ювелирных изделий. Оно направлено на изучение поведения потока жидкости во время заполнения и затвердевания формы и на оптимизацию параметров процесса, которые приводят к прогнозированию и контролю дефектов литья, таких как газовая и усадочная пористость. Для моделирования процесса литья ювелирных изделий были использованы метод конечных разностей и программное обеспечение FLOW-3D. Были разработаны упрощенная модель численного моделирования и реальная модель для производства отливок художественных изделий. По разным позициям модели воскового дерева был распределен набор датчиков для определения времени заполнения и набор термопар для определения температуры во время литья и охлаждения. Данные эксперимента использовались для сравнения результатов численного моделирования и результатов реального литья. Полученные данные показывают, что численное моделирование может быть использовано в качестве эффективного инструмента в оптимизации процесса и прогнозирования дефектов литья.
Abstract: This article proposes the numerical simulation of the investment casting of jewelry design. It leads to study the behavior of liquid flow during mould filling and freezing and to normolize the process values, which aim to predict and control casting defects such as gas gas and contraction porousness. A finite difference method, computer modelling software FLOW-3D was used to simulate the art casting process. The basic model was designed for both numerical simulation and actual jewelry casting. A set of sensor data were distributed on the different points of the wax tree of the model to trace filling times, while a set of thermoelements were distributed to trace the temperature during casting and freezing. Those distributed data were applied to verify the results of the numerical simulation to the results of the actual casting. The resulting
confrontations mean that the numerical simulation can be used as an valuable tool in investment jewelry casting optimization and casting defect prediction.
Ключевые слова: компьютерная динамика жидких материалов, литье по выплавляемым моделям, ювелирные изделия, формы для отливок, моделирование.
Key words: computer dynamics of liquid materials, lost wax casting, jewelry, molds for castings, modeling.
Качественное литье и устранение дефектов литья ювелирных украшений являются одними из самых сложных процессов обработки изделий. В качестве отливочных материалов используются драгоценные сплавы, которые обуславливают высокие производственные затраты при устранении дефектов отливки [3]. Вычислительная гидродинамика и численное моделирование применяются в различных отраслях промышленности и могут помочь литейщикам понять поведение литейных процессов и сократить производственные затраты и время, вызванные дефектами литья. В течение последнего десятилетия в процессе изготовления ювелирных изделий стали использоваться вычислительная гидродинамика и численное моделирование, так как они могут являться инструментом предотвращения дефектов литья [1, c.1-16]. Однако, многие аспекты требуют дальнейшего изучения: изучение физических свойств драгоценных сплавов и материалов, включая исследование динамики процесса литья по выплавляемым моделям.
В данной работе для моделирования литья ювелирных изделий использовалась вычислительная гидродинамика. Для численного моделирования использовалось программное обеспечение FLOW-3D. Основная концепция программного обеспечения состоит в решении уравнения Навье-Стокса [2] дискретным способом в рамках метода контрольного объема.
Для достижения цели необходимо оптимизировать и точно настроить параметры процесса, которые основаны на термических и химических
свойствах используемого материала пресс-формы (опоки) и используемого драгоценного сплава.
Наиболее фундаментальным важным аспектом в вычислительной гидродинамике является то, как можно обрабатывать данные непрерывной жидкой физической среды дискретным способом с помощью компьютерных технологий. Один метод состоит в том, чтобы дискретизировать пространственную область на маленькие ячейки, сформировать объемную сетку, а затем применить подходящий алгоритм для решения уравнений движения. Кроме того, такая сетка может быть нерегулярной или регулярной. Метод конечных разностей является одним из самых эффективных методов дискретизации. Он прост в программировании и используется только в нескольких специализированных кодах. Современные конечно-разностные коды используют встроенную границу для обработки сложных геометрий, что делает эти коды очень эффективными и точными. FLOW-3D может успешно и популярно использоваться при моделировании заполнения художественных форм в процессе литья.
Эксперимент начался с разработки упрощенного тестового дерева, которое состоит из трех объектов с разной сложностью исполнения (рисунок 1):
- ступенчатый клин, изменяющий толщину,
- четырехугольное кольцо имеет углы, которое имеет сложности при
литье,
- шариковое или сферическое кольцо - одна из самых сложных форм
литья.
Рисунок 1. Упрощенное тестовое дерево
Предыдущее наше исследование показало, что необходимо начать с использования упрощенного дерева и его оценки, чтобы проверить достоверность результатов численного моделирования в дальнейших экспериментах, которые были получены в промышленном производстве.
Был подготовлен набор моделей воскового тестового дерева. Предполагалось собрать данные двух типов.
Первый - сбор данных с датчиков National Instruments с системой, работающей на частоте 1000 Гц. Датчики были расположены в разных положениях (P1, P2, S1, O2A и SC3) модели воскового дерева для определения времени заполнения в разных местах формы для литья (рисунок 2).
Рисунок 2. Расположение датчиков на восковом дереве
Второй - применение термопар. Чтобы контролировать диапазон температуры в зависимости от положения на дереве и литейной форме, термопары были установлены на моделях воскового дерева в разных положениях: на литниках и на объектах, размещенных в опоке (рисунок 3). В этом случае использовались термопары типа К, покрытые стекловолокном и набором низкочастотного сбора данных (20 Гц).
Рисунок 3. Термопары, установленные на восковом дереве
В испытаниях на отливку использовался драгоценный сплав из красного золота 585 пробы и формовочная смесь Ultra-vest.
Процесс литья упрощенного тестового дерева производился при следующих условиях:
температура литья = 10000С, температура опоки = 5500С.
Исследование проводилось с целью анализа отливки «листоподобного» филигранного объекта (рисунок 4), так как в промышленности существуют сложности заполнения форм при изготовлении данного вида изделий.
Для того чтобы получить дефицитные показания и проверить результаты моделирования реального процесса литья было организовано исследование с помощью численного моделирования.
---*-К---{
Рисунок 4. Восковая форма «листообразного» филигранного
предмета
Виртуальное дерево, состоящее из набора филиграней, было смоделировано и представлено на рисунке 5.
Рисунок 5. Виртуальное дерево, состоящее из набора филиграней
Первый эксперимент пробного литья выполнялся с параметрами процесса: температура литья = 10200С и температура опоки = 6600С. В результате моделирования становится очевидным факт неполного заполнения. В таком случае давление во время литья увеличивается. Температура отливки и опоки оптимизируются. Кроме того, для улучшения качества отливки принимаются во внимание свойства формовочной смеси.
Эксперименты по изучению заполнения проводились как в программном обеспечении для моделирования FLOW-3D, так и при выполнении реальных отливок. Процесс моделирования в FLOW-3D показан
на рисунке 6. Было проведено сравнение времени заполнения моделируемого литья с реальным временем заполнения. Результаты представлены на рисунке 7.
Процесс заполнения охватывает очень короткий интервал времени -менее 0,2 секунды. Анализ полученных результатов показывает, что разница между временем заполнения моделируемой отливки и реальной отливки составляет приблизительно 15,63%, что можно считать относительно низким с точки зрения количества задействованных параметров. Кроме того, повторы испытаний с другими драгоценными сплавами (750 пробы желтого и 750 пробы красного) доказывают, что результаты моделирования или имитации отливок имеют тенденцию быть близкими к реальности или реальному литью.
I
Рисунок 6. Время заполнения упрощенного дерева, смоделированного FLOW-3D
Compaison of Filling Times
Tims (sec.)
P1 P2 S1 Q2A SC3
Positions
Рисунок 7. Сравнение времени заполнения моделируемой отливки и реальной отливки в различных местах на дереве испытаний
Эксперименты по фазе охлаждения были организованы и проиллюстрированы на рисунке 3. При изучении фазы охлаждения необходимо картировать замеренную температуру, чтобы подтвердить результаты моделирования. Тенденция к охлаждению может обеспечить обоснование усадочной пористости.
Определение температуры на формовочной смеси указывает на взаимосвязь между формовочной смесью и рисунками воска, что необходимо для прогнозирования газовой пористости. Некоторые из результатов представлены на рисунках 8 и 9.
Рисунок 8. Термопары установлены в ступенчатый клин для определения температуры во время литья и охлаждения
1134.000 1073.833 1013 66? 9ЬЗ ЬОО 893.333 833.167 773 000
Рисунок 9. Моделирование фазы охлаждения модели ступенчатого клина
Чтобы оптимизировать разрешение результатов моделирования и время обработки в эксперименте филигрань моделировалась наполовину, так как конструкция имеет зеркальную симметрию.
Первый набор результатов моделирования подтвердил, что предположение верно. Полученное моделирование и реальное литье представлены на рисунках 10 и 11 соответственно.
Рисунок 10. Имитация заполнения филигранной работы. Стрелки указывают на неполное заполнение
Время заполнения филигранной конструкции, полученной при моделировании, составило 0,055 секунды. В результате моделирования видно, что затвердевание произошло до того, как заполнение завершено. Результаты реального литья также подтверждают, что результаты моделирования верны и представлены на рисунке 11.
Рисунок 11. Незаполненные филигранные отливки, выполненные при температуре литья 10200С и температуре опоки 6600С.
Чтобы проанализировать насколько заполнена филигранная конструкция используем простой индекс: отношение количества заполненных листьев к общему количеству листьев. Исходя из реальной отливки, коэффициент полного заполнения в первом эксперименте составлял 15,2%. Поэтому в последующем эксперименте приложенное давление во время процесса литья было увеличено, тогда, как другие параметры процесса были постоянными.
Смоделированная отливка показала неполное заполнение, преимущественно расположенное в спиральных частях (рисунок 12).
Рисунок 12. Имитация заполнения филигранной конструкции. Стрелки показывают незаполненные области
Реальное литье показало, что индекс заполнения был 20%, что выше, чем предыдущее значение, но в этом случае появился технологический дефект. Расплавленный металл проник в формовочную смесь из-за превышения механической прочности материала (Рисунок 13. 1 - неполное заполнение, 2 -расплавленный металл проник в формовочную смесь)
V
Рисунок 13. Неполная заливка из второго эксперимента
Следующие последовательные эксперименты проводились путем оптимизации важных параметров процесса: температуры литья, температуры опоки и применяемого вакуума. Множество симуляций заполнения были выполнены путем варьирования по одному параметру, в то время как другие сохранялись постоянными. Моделирование производилось до тех пор, пока не было достигнуто определенное качество литья.
Процесс моделирования был завершен при достижении индекса заполнения 100% и при соблюдении следующих параметров: температура литья ~ 10300С и температура опоки ~ 7000С. Результаты проиллюстрированы на рисунке 14. Моделируемое время заполнения филигранной конструкции -0,0035 секунды.
/
Рисунок 14. Имитация полного заполнения филигранной работы
После полного заполнения одного конструктивного элемента мы перешли к моделированию всего дерева. Все дерево, состоящее из листьев, было предварительно смоделировано (рисунок 15), а также подготовлена восковая модель для реальной отливки.
Установка датчиков на восковом дереве имела некоторые трудности, так как диаметр термопар намного больше, чем спиральные части филигранной конструкции. Поэтому датчики были расположены на более толстой части -основном литнике и литнике подачи, чтобы не мешать потоку расплавленного металла (рисунок 15).
РЗ
Рисунок 15. Положение датчика, установленного на дереве испытаний
Время заполнения при моделировании и литье представлено на рисунке 16. Результаты моделирования близки к условиям испытаний. Время измерения до полного заполнения составляет 0,25 секунды. Средняя разница между моделированием и реальным литьем составляет около 11,7%.
Кроме того, путем моделирования в FLOW-3D была проанализирована усадочная пористость. Результат проиллюстрирован на рисунке 17, шкала с правой стороны указывает прогнозируемый процент пористости на общей поверхности исследуемого объекта. Низкий процент усадочной пористости расположен в областях, противоположных литнику подачи.
Анализ пористости проводился с использованием световой оптической микроскопии. Пористость анализировалась по всем частям филигранного дерева, но большой разницы в результатах не выявлено. Возможная причина -очень быстрый процесс и нет большой разницы с точки зрения заполнения и затвердевания.
Рисунок 16. Сравнение времени заполнения смоделированной и реальной отливки в двух местах на филигранном дереве
/
Рисунок 17. Прогноз усадочной пористости с использованием
РШ^^ЭБ
Были обнаружены незначительные газовые пористости и, вероятно, вызваны высокой температурой, используемой во время процесса.
FLOW-3D может структурировать сетку конечных разностей в нескольких блоках, что позволяет проводить более локальные уточнения. Эта гибкость подходит для определения тонкой и сложной филигранной формы.
Результаты экспериментов подразумевают, что виртуальное литье с использованием численного моделирования потенциально может служить инструментом прогнозирования при заполнении, охлаждении и затвердевании ювелирных форм. Поэтому численное моделирование может использоваться на ранней стадии процесса проектирования для уменьшения количества итерационных испытаний и испытаний, которые в конечном итоге приводят к снижению производственных затрат.
Для создания виртуальной литейной лаборатории программному обеспечению для численного моделирования требуются данные и информация, которые относятся к свойствам существенных литейных материалов и формовочных смесей, включая параметры процесса.
Библиографический список:
1. Grande M. A., Porta L., Tiberto D. Computer simulation of the investment casting process: widening of the filling step. // Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology. 2007. Pp. 1-16.
3. Баклагин В.Н. Пример численного решения уравнений Навье-Стокса методом маркеров и ячеек для моделирования водных объектов // Журнал «Современные проблемы науки и образования». - 2014. - № 5.
4. Технологический регламент ювелирного предприятия ООО «Диадема», г. Красноярск, сс.126-130, 2015.
