CC BY
4
УДК 621.791
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ФОРМИРОВАНИЯ ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ
*
С. Ю. Чучунова , Б. И. Петров, К.А. Макеев Научный руководитель - Л. А. Оборин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
В статье рассматриваются технология компьютерного моделирования кристаллизации жидкого металла в литейной форме и программы для моделирования данного процесса.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, кристаллизация металла в литейной форме, отливка, LVMFlow.
COMPUTER SIMULATION OF THE PROCESS FORMING A CAST BLANK
S. Y. Chuchunova*, B. I. Petrov, K. A. Makeev Scientific supervisor - L. A. Oborin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The article discusses the technology of computer simulation of liquid metal crystallization in a mold and programs for modeling this process.
Keywords: computer modeling, metal crystallization in a mold, casting, LVM Flow, SCM LP "PolygonSoft".
Введение.
Процесс формирования литой заготовки изучается учеными и инженерами-литейщиками с момента появления литья как такового. При этом данный процесс еще не является полностью исследованным, и тем более, не может быть на 100% управляемым. Очевидным доказательством служат дефекты (мелкие поры, рыхлоты), содержащиеся в отливках, полученных любым известным в настоящее время способом литья.
Тем не менее, основные закономерности формирования литой заготовки были отслежены в процессе развития литейного производства и использованы для построения математической модели процесса кристаллизации жидкого металла в полости литейной формы [1].
Одной из таких закономерностей является направление остывания жидкого металла - от периферии к центру детали. Другая закономерность - чем меньше объем заливаемого металла, тем быстрее происходит кристаллизация.
Благодаря практическим исследованиям и длительной отработке технологии литья для различных металлов и сплавов, выстроилась зависимость времени остывания конкретного сплава от объема вливаемого металла и формы литейной формы. Эта зависимость легла в основу расчета времени остывания и температур в различных точках будущей отливки при
ее затвердевании в форме. При воссоздании процесса литья в виде математической модели технолог-литейщик имеет возможность отслеживать распределение температур в отливке на протяжении всего времени охлаждения и благодаря этому управлять результатом выплавки детали - получать необходимую структуру металла или сплава путем нагрева/охлаждения формы с деталью внутри [2].
Компьютерное моделирование.
Перспективным вариантом для расчета режимов литья и получения качественных отливок является моделирование процесса литья в специальных программах.
Цель компьютерного моделирования состоит в том, чтобы определить основные характеристики протекания процессов кристаллизации металла отливки (таких как температура, скорость и время охлаждения в различных точках отливки). Процесс освоения этих процессов в целом основан на технологии формообразования отливок методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Причина в наиболее широком распространении данного способа в серийном и массовом производстве отливок [3].
Наибольшее распространение на территории РФ получили программы моделирования LVM Flow и СКМ ЛП «ПолигонСофт» (оба отечественного производства). Сам принцип расчета температур, скоростей охлаждения и времени охлаждения основан на законах сохранении энергии, импульса. Математическое выражение данных законов реализовано дифференциальными уравнениями и производными. Кроме всего прочего, математическое моделирование учитывает перераспределение тепла в теле будущей отливки посредством теплопроводности металла. Еще одна важная особенность программ моделирования -возможность расчета распределения температур при наличии нескольких питателей. Таким образом можно смоделировать литниковую систему (или множество разных литниковых систем для выбора самой удачной), которая позволит получить отливку требуемой структуры и свойств с минимальной трудоемкостью и минимальным количеством дефектов.
Кроме так называемой тепловой задачи расчета температур программа компьютерного моделирования может включать в себя моделирование деформации отливки при усадке, моделирование массопереноса при непрерывном питании отливки через стояк, моделирование образования газовой и усадочной пористости и т.д.
Компьютерное моделирование в LVM Flow.
Принцип формирования литой заготовки основан на охлаждении металла до твердого состояния за счет отвода тепла в тело литейной формы и окружающую среду.
Рис. 1. Заливка жидкого металла в форму
Программа LVM Flow использует математические формулы зависимости плотности металла,температуры жидкого металла и скорости заливки его в форму от объема литейной формы, конфигурации литниково-питающей системы (ЛПС) и прочих для построения наглядной модели литейного процесса на экране. На рисунке 1 показан процесс заливки жидкого металла в форму и распределение температур внутри литейной формы при этом.
Для осуществления моделирования процесса литья в программе LVM Flow необходимо, во-первых, построить математическую модель отливки на базе геометрических размеров детали из чертежей конструктора (обязательно учитываются примерные припуски на обработку отливки до размеров детали).
Во-вторых, проводится анализ литейных особенностей геометрии детали, выявление тепловых узлов - мест распределения температуры, для этого программой осуществляется моделирование остывания отливки без прибылей и литниковой системы (распределение температур при остывании показано на рисунке 2). В процессе генерируется расчетная сетка, выбираются начальные и граничные условия, задаются свойства сплава, на основании чего выявляются первичные узловые параметры, а именно значения температур. На этом этапе технолог может назначить количество прибылей, их размер и расположение.
В-третьих, конструируется ЛПС, при этом учитываются изолированные зоны отливки, заполнение которых жидким металлом затруднено. Вариантов расположения отливки в форме и вариантов питающей системы отливки может быть множество, и все они сохраняются в дереве построений LVM Flow, что дает возможность выбора наилучшего из них на конечном этапе моделирования.
Далее идет проверка эффективности каждой ЛПС, включающее компьютерное моделирование литейных процессов и вычисление основных параметров литья, в том числе оценивается направление кристаллизации жидкого металла при его охлаждении и рассчитывается теплоотвод. Здесь же маркируются изолированные объема расплава в форме как возможные концентраторы литейных дефектов (дефекты усадочного характера и горячие трещины), рассчитывается коробление отливки и литейный коэффициент усадки (математическая модель отливки при усадке показана на рисунке 3). По завершении данного этапа должен быть выбран лучший вариант расположения отливки в форме и лучшая ЛСП. Только после этого необходимо конструировать стержни и стержневые ящики с учетом выбранной компановки отливки [4].
Рис. 3. Усадка отливки
Финальным этапом является изготовления стержневых ящиков, оснастки под выбранную конструкцию ЛПС с учетом способа литья. На приведенных рисунках способ литья - ЛВМ.
Технология компьютерного моделирования в программе LVM Flow может быть применена литья в песчаные формы, в кокиль, ЛВМ, под давлением, для литья в изложницу и центробежного литья. Программа позволяет отследить заполнение формы расплавом, объемное затвердевание отливки, формирование усадочных дефектов (в том числе микропористости) и прогнозировать недолив, деформацию и трещинообразование, литейную усадку, движение шлаковых частиц. И главное, LVM Flow производит построение температурных полей отливки и литейной формы, что дает технологу возможность сократить этап опытно-конструкторской разработки технологического процесса литья и быстрее осуществить переход к серийному изготовлению литых деталей. Это, в свою очередь, существенно сокращает затраты предприятия на отработку технологии и является весомым аргументом для использования программ компьютерного моделирования в современных литейных цехах [5].
Библиографические ссылки
1. Производство стальных отливок: Учебник для вузов / Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К Н. и др. / Под ред. Л.Я.Козлова. - М.: МИСИС, 2003. 352 с.
2. Огородникова О.М., Пигина Е.В., Мартыненко С.В. Компьютерное моделирование горячих трещин в литых деталях. Литейное производство, 2007, №2, С.27-30.
3. Morel F. and etc. Comparison between defects and micro-notches in multiaxial fatigue - The size effect and gradient effect. International journal of fatigue, 2009, V.31. P.263-275.
4. LVM Flow. Моделирование литейных процессов. Руководство пользователя.
5. Огородникова, Мартыненко, Грузман. Прогнозирование кристаллизационных трещин в стальных отливках. Литейное производство, 2008, №10, С.29-34.
© Чучунова С.Ю., Петров Б. И., Макеев К. А., 2022
