Компьютерный анализ процесса литья металла: экономия ресурсов
Конструкторы и технологи, занимающиеся подготовкой технологического процесса литья металлов, сталкиваются с необходимостью принятия решений в условиях недостатка информации о физической картине процесса. Это связано с проблемами анализа явлений переноса (гидродинамики, теплопередачи, фазовых превращений), происходящих в условиях реального производства. Без таких знаний точно спроектировать процесс, позволяющий в итоге получить продукцию высокого качества, удается далеко не всегда даже при условии, что эту работу выполняют опытные квалифицированные специалисты с большим стажем. А применение систем, позволяющих «заглянуть» в сам процесс литья, визуализировать и понять его природу, даст возможность значительно усовершенствовать процесс проектирования и производства отливок. Это повлечет за собой экономию важнейших ресурсов — металла, рабочего времени, электроэнергии. Но главным результатом визуализации литья является точное знание протекающих в сплаве физических явлений, позволяющее вносить необходимые коррективы на стадии проектирования, что значительно снижает процент брака. Внедрение литьевых пакетов на предприятии помогает повысить качество продукции и одновременно снизить ее себестоимость.
Такую возможность металлургу предоставляют программные продукты, предназначенные специально для анализа процесса литья металлов. Ряд зарубежных и отечественных фирм работают над созданием и совершенствованием этих программ. Отметим в качестве наиболее развитых и известных такие системы, как MAGMA, AFS, SIMTEC, ProCAST, NovaFlow, PowerCAST, CastCAE. Они различаются по применяемым численным методам, анализируемым видам литья, объему базы данных материалов, используемым операционным системам, получаемым результатам, требованиям к аппаратной поддержке и др. Литейным предприятиям необходимо выбрать то программное обеспечение, которое наилучшим образом отвечает поставленным перед производством задачам и приемлемо по цене.
Рассмотрим типовой вариант применения подобной программы для анализа литья на примере пакета CastCAE. Он может выполнить целый комплекс задач, направленных на решение возникающих при литье проблем. Специалисты компании «Диал Инжиниринг» выполнили при помощи этого продукта анализ процесса литья отливки «Барабан». Этот проект был выполнен компанией для одного из заказчиков — крупного машиностроительного предприятия.
Отливка изготавливается из сплава ст35Л. Литье производится в песчаную сырую форму. Программа CastCAE по своим функциональным возможностям прекрасно подходит для решения такого типа задач. Для проведения расчетов в программу необходимо загрузить геометрическую модель полости литейной формы и указать границы области, заполненной песчано-глинистой смесью. Геометрическая модель может быть приготовлена в любой CAD-системе, конвертируемой в формат STL. В данной работе была использована программа трехмерного конструирования Thinkdesign итальянской фирмы Think3. На геометрической модели отливки и формы строится сетка, состоящая из кубических ячеек одинакового размера. Затем из базы данных выбираются материалы для отливки и формы. Обширность базы данных материалов является важной характеристикой программы, ведь свойства материала зависят от температуры, а определение этих зависимостей — процедура весьма дорогостоящая, особенно если брать во внимание наличие фазового перехода. Таким образом, отсутствие в базе данных нужного материала вызывает необходимость дополнительного исследования для определения свойств материала. После этого задаются граничные условия и технологические параметры процесса, а также уровень точности расчета (грубый, промышленный, научный). На этом подготовка задачи к счету заканчивается.
После проведения расчета программа выдает пользователю большое количество различных результатов, позволяющих всесторонне проанализировать процесс. Можно видеть процесс заполнения формы, поле векторов скоростей расплава, температурное поле, значения критерия Ниямы в различных точках отливки, степень пористости металла, степень проницаемости его Х-лучами. Существует два вида представления результатов: изменение поля во времени (анимация — можно просмотреть в виде мультфильма) и изменение поля в пространстве (томография — можно просмотреть в любом слое элементов). Входящий в состав пакета модуль CastDesign позволяет оценить степень использования питающих элементов и определить зоны их действия, что, в свою очередь, дает возможность коррекции местоположения прибылей, а в ряде случаев позволяет уменьшить вес отливки. Модуль CastCheck позволяет оценить технологичность проектируемой детали.
Ниже приводятся результаты расчета двух вариантов технологии — предварительного и окончательного. Было проанализировано около полутора десятков вариантов технологии, прежде чем был получен окончательный — наилучший вариант. В нем отливка уже не имела дефектов. На это потребовалось всего около месяца.
Расчет включал две стадии: заполнение формы и затвердевание материала в форме. На рис. 1 представлена картина заполнения полости формы через 14,9 секунды после начала заполнения (первоначальный вариант технологии). Полость формы разрезана вертикально посередине.
Визуализация заполнения формы и температурной картины процесса заполнения и затвердевания дает информацию для анализа литниковой системы и коррекции ее параметров еще на стадии проектирования.
На рис. 2 и 3 показаны сечения модели, где прослеживаются дефекты, местоположение которых недопустимо по техническому заданию изготовителя.
Затем был проведен анализ причин возникновения дефектов и сделан расчет ряда промежуточных вариантов до получения приемлемой технологии. В результате компьютерного моделирования была изменена литниковая система и добавлены холодильники. Характер заполнения отливки показан на рис. 4.
В итоге удалось создать направленную кристаллизацию и устранить дефекты в отливке (рис. 5, 6).
Изложенный материал демонстрирует эффективность применения программ, моделирующих процесс литья металлов. Они позволяют создать оптимальную конструкцию литниково-питающей системы на стадии проектирования и обойтись без дорогостоящих операций доводки технологии и изменения оснастки непосредственно в процессе организации производства детали. Отметим, что возможность быстро получить приемлемый вариант технологии зависит от компетентности специалистов, точности задаваемых параметров технологического процесса и качества исходного программного продукта. Впрочем, никто и не утверждает, что компьютер и программа должны заменить квалификацию и опыт специалистов. Задача этих программных продуктов — облегчить труд специалистов и сэкономить ресурсы предприятия. С этим системы для анализа процесса литья металла могут успешно справляться.
Применение программы CastCAE позволяет сберечь 15-20% используемой энергии, увеличить коэффициент использования металла до 0,75 за счет снижения веса отливки, сократить время процесса, а следовательно, повысить производительность. Вес отливок уменьшается примерно на 5%. Применение CastCAE снижает процент брака в среднем на 84%. Система обладает наиболее удачным соотношением цены и качества по сравнению с известными аналогичными пакетами. За счет экономии ресурсов и повышения производительности она полностью окупается в течение 1-2 лет. Подобные программы — неотъемлемый инструмент конструктора и технолога на современном промышленном предприятии.
«САПР и графика» 4'2001
