Компьютерное моделирование напряженного состояния изложниц для слитков высоколегированной стали

Анна Пантелеева, Евгений Ковалевич

Анализ причин разрушения изложниц показывает, что в среднем 40­45% изложниц отбраковывают из­за образования трещин,
40­45% — из­за разгара внутренней поверхности, 10­15% — из­за размывов и около 5% выходят из строя из­за механических повреждений. Мелкие изложницы для спецсталей в 70­80% случаев отбраковывают из­за трещин.

Образование трещин в изложницах происходит в результате достижения металлом предельных величин деформации и напряжения, которые зависят от структуры металла, температуры нагрева и условий нагружения и реализуются деформацией сдвига в зонах концентрации напряжений.

В условиях быстрого нагружения трещина образуется при большом напряжении и малой деформации, а при медленном нагружении разрушение вызывается малой нагрузкой и значительной деформацией.

В настоящее время признано, что компьютерное моделирование сложных задач тепломассообмена и напряженного состояния материалов, динамики пластических явлений часто оказывается более дешевым, чем экспериментальные исследования. Компьютерное моделирование позволяет избежать проблем, связанных с возмущениями изучаемых процессов датчиками, применяемыми в экспериментах, а также с очень малыми или большими размерами исследуемых объектов, с очень высокими или низкими температурами и т.п.

Рис. 1. 3D-модель изложницы, использованная для расчета напряженного состояния после изготовления

Современные программные продукты обеспечивают моделирование литейных процессов в отливке, а также расчет напряженного состояния отливки после ее охлаждения.

Компьютерное моделирование напряженного состояния изложницы было произведено при помощи программы СКМ ЛП «Полигон» и деформационного модуля СКМ ЛП «Полигон». Масса изложницы составляла 1150 кг, черный вес отливки — 1450 кг, толщина стенки — 85­100 мм, материал — серый чугун с пластинчатым графитом. Изложницы используются для отливки слитков массой 670 кг из специальных легированных сталей с температурой разливки до 1700 °С, с повышенной скоростью наполнения слитка и его продолжительной выдержкой в изложнице, что обусловлено невысокой теплопроводностью легированных сталей. Основной причиной выхода таких изложниц из строя является образование продольных трещин в верхней зоне. [1]

В основу расчета была положена 3D­модель изложницы с учетом литейных припусков и литниково­питающей системы (рис. 1).

В любой отливке в процессе затвердевания и последующего охлаждения возникают напряжения, которые можно классифицировать как усадочные и температурные, причем некоторые из них являются временными, другие — остаточными. Возникающие напряжения становятся причиной образования горячих и холодных трещин и искривления отливок.

Механические напряжения и деформации возникают в отливке вследствие препятствий ее усадке со стороны формы, но чаще — со стороны стержня. Такие напряжения зависят главным образом от конструкции отливки и литейной формы, а также от свойств чугуна и технологии производства. Важной особенностью механических напряжений является то, что они возникают как реакция на воздействие внешних сил (по отношению к отливке). Однако при устранении таких воздействий (в результате извлечения отливки из формы и удаления из нее стержней) они могут исчезать, что на практике наблюдается очень часто. Если под влиянием механических напряжений отливка оказывается пластически деформированной, часть напряжений в ней может сохраняться неопределенное время.

Как известно, в процессе затвердевания в теле отливки температуры распределяются неравномерно, что обусловлено разностенностью, разнообразным расположением литников и прибылей, свойствами формовочных материалов, красок и другими факторами. Вследствие этого в отливке возникают термические напряжения и деформации.

Применяемая программа для расчета напряженного состояния изложницы СКМ ЛП «Полигон» и деформационный модуль СКМ ЛП «Полигон», разработанный А.В. Монастырским [2, 3, 4], опирается на реальную физику процессов с учетом механических, физических и теплофизических свойств материала и формы.

СКМ ЛП «Полигон Софт» позволяет произвести отработку некоторых наиболее важных технологических параметров не на реальной отливке, а на ее компьютерной модели, что снижает затраты на проектирование и доводку литейной технологии. Данная программа производит расчет тепловых процессов, происходящих в отливке с момента полной заливки формы до полного ее затвердевания.

При моделировании были приняты следующие исходные данные:

• свойства чугуна с пластинчатым графитом:

- плотность (r) — 6950 кг/м3,

- теплоемкость (c) — 838 Дж/(м·К),

- теплопроводность (l) — 42,00 Вт/м·К,

- теплота затвердевания — 25 000 Дж/кг;

• свойства формы:

- теплоемкость (c) — 1080.000 кДж/(м3·К),

- теплопроводность (l) — 1.28 Вт/(м·К);

• исходные условия:

- температура заливки чугуна — 1280 °С,

- температура формы — 20 °С,

- окончание расчета — остывание отливки в форме до 200 °С.

Расчет напряженного состояния изложницы производился в два этапа.

На первом этапе осуществлялось моделирование процесса затвердевания отливки в форме с учетом перечисленных выше свойств и условий в СКМ ЛП «Полигон». Результат расчета — файл тепловых процессов при затвердевании.

На втором этапе в деформационном модуле СКМ ЛП «Полигон» рассчитывались напряжения в изложнице. При этом использовался файл тепловых процессов, полученный в предыдущем расчете, а также модуль Юнга (Е) — 1.3·105 МПа; коэффициент Пуассона (µ) — 0,27; КЛТР (a) — 1/K; предел упругости (s0,05) — 80 МПа и предел прочности (sВ) — 300 МПа. На основании этих данных программа производила расчет напряжений, возникающих в теле изложницы во время остывания. Результат такого расчета, осуществленного при помощи деформационного модуля СКМ ЛП «Полигон», представлен на рис. 2.

Рис. 2. Результат расчета напряжений в изложнице при помощи деформационного модуля СКМ ЛП «Полигон»: а — остаточные напряжения в изложнице, возникающие при остывании в форме до 200°С; б — остаточные напряжения более 20 МПа; в — остаточные напряжения более 50 МПа; г — цветовая шкала напряжений (МПа)

На рис. 2б видно, что зонами наибольшей концентрации остаточных напряжений в отливке изложницы являются: нижний торец (в рабочем состоянии при заливке слитка — это верхний торец изложницы), места установки цапф и верхний торец отливки. Остаточные напряжения в нижнем торце отливки существенно выше, чем в других зонах (рис. 2в), при этом зоны максимальной концентрации остаточных напряжений расположены симметрично на противоположных сторонах изложницы и смещены на ~ 90° относительно расположения цапф изложницы.

Сравнение полученных расчетных данных с результатами замера напряженного состояния трех таких изложниц методом магнитной памяти металла показало их полное совпадение.

На рис. 3 представлено характерное распределение поля Hp вдоль периметра изложниц в исходном состоянии (перед заливкой стали), которое соответствует распределению остаточных напряжений (ОН) на наружной поверхности.

Из рис. 3 видно, что зоны максимальной концентрации ОН (ЗКН) расположены симметрично на противоположных сторонах изложниц и смещены примерно на 90° относительно расположения цапф корпуса изложницы. Все исследуемые изложницы выдержали практически одинаковое количество наливов до образования трещин. Трещины во всех трех изложницах, как и ожидалось, образовались в верхней части, испытывающей максимальный разогрев в процессе заливки и охлаждения слитка, и при этом — в максимальных ЗКН, зафиксированных в изложницах в исходном состоянии.

Рис. 3. Характерное распределение поля Hp вдоль периметра изложницы: Тр. № 1, № 2, № 3 — места образования трещин на трех изложницах соответственно

Выводы

Данные результата расчета напряжений изложницы при помощи деформационного модуля СКМ ЛП «Полигон» схожи с результатами исследования напряженного состояния изложницы методом магнитной памяти металла. Из этого следует, что использование компьютерного моделирования для определения напряженного состояния отливок позволяет определить величину и зоны максимальной концентрации напряжений, возможные места образования трещин и своевременно принять технологические меры для снижения или снятия данных напряжений.

Литературa

1. Ковалевич Е.В., Баранов Б.С., Урин С.Л., Пантелеева А.В., Дубов А.А., Собранин А.А. Исследование напряжений в изложницах методом магнитной памяти // Литейщик России. 2011. № 10. С. 21­24.
2. Монастырский А.В., Смыков А.Ф., Панкратов В.А., Соловьев М.Б. Прогноз образования горячих трещин и расчет коробления отливок в СКМ ЛП «ПолигонСофт» // Литейное производство. 2009. № 10. CAD/САМ литейных процессов. С. 24­27.
3. Монастырский В.П., Александрович А.И., Монастырский А.В., Соловьев М.Б., Тихомиров М.Д. Моделирование напряженно­деформационного состояния отливки при кристаллизации // Литейное производство. 2007. № 8. С. 45­47.
4. Монастырский А.В., Смыков А.Ф. Особенности моделирования возникновения трещин в отливках на примере СКМ ЛП «ПолигонСофт» // Литейное производство. 2010. № 12.  CAD/САМ литейных процессов. С. 13­15.

САПР и графика 8`2013