Использование компьютерного моделирования позволило литейщикам в последние годы достичь значительных успехов в повышении качества отливок за счет выявления и устранения макропористости, которая образуется от замешивания газа в расплав при его залив¬ке в полость литейной формы и при затвердевании. С решением этой проблемы наиболее актуальной становится другая и, возможно, на сегодняшний день наиболее трудная в обеспечении качества при промышленном производстве отливок методом литья под давлением (ЛПД) - проблема образования в затвердевающей отливке микропористости - рассеянных пор размером меньше миллиметра, которые снижают механические свойства отливок и могут быть причиной нарушения их герметичности. Процесс формирования микропористос¬ти до сих пор до конца не ясен. Считается, что ее образование сопровождается снижением давления в охлаждающемся расплаве и затруднением компенсации его объемной усадки из зон отливки с более горячим жидким металлом. Давление в расплаве понижается до значения, равного парциальному давлению растворенных в расплаве газов, при котором происходит образование внутренних пор.
Вычислительная гидродинамика (CFD) - эффективный инструмент для расчета и устранения обычной по¬ристости в отливках. До недавнего времени этот инстру¬мент был неэффективным в отношении микропористости, так как имеющиеся физические модели не позволяли рассчитывать изменение давления в расплаве вслед¬ствие его усадки при затвердевании. Лишь недавно стали появляться CFD пакеты, способные рассчитывать микропористость.
Исследования, проведенные в компании Albany-Chicago Co. (США, www.albanyc.com), показали, что эти программы позволяют достаточно точно предсказывать микропористость в отливках. Они помогают выявлять зоны с повышенной микропористостью, разрабатывать конструктивные и технологические мероприятия для сни¬жения микропористости или перемещения ее в части отливок, где повышенный уровень микропористости допустим. В результате значительно сокращается процесс доводки пресс-форм ЛПД и, особенно, при проектиро¬вании новых пресс-форм.
Традиционный подход к проектированию пресс-форм
Компания Albany-Chicago занимается производ¬ством фасонных отливок из алюминиевых сплавов методом ЛПД и выполняет их механическую обработку для обеспечения высокой точности изготавливаемой продукции. В настоящий момент предприятие располагает ма-шинами ЛПД с усилием прессования от 400 до 2500 тонн, что позволяет изготавливать отливки от 30 г до 50 кг и более. Клиентами компании являются производите¬ли машин и оборудования в различных отраслях промыш-ленности - это дизельные двигатели, гидравлическое и сельскохозяйственное оборудование, электромехани-ческие устройства, компьютерная и медицинская техни¬ка. В компании на площади около 20000 м2 работают 400 человек. Инжиниринговая деятельность компании является важной составляющей процесса производства. Связь между конструкцией детали и отливкой, прошед-шей механическую обработку и являющейся частью узла или агрегата, - то, на чем фокусируют свое внимание инженеры компании. Компьютерное моделирование позво-лило установить более тесное взаимодействие процес-сов конструирования и производства.
В традиционном подходе к проектированию пресс-формы большая роль отводится опыту и интуиции инже-неров. При этом главное затруднение состоит в том, что определить, правильно ли спроектирована пресс-форма, можно только изготовив ее и получив на ней тестовые отливки. Как правило, для достижения высокого ка¬чества отливок пресс-форму приходится несколько раз доводить. Стоимость каждой модификации находится в пределах $10000-20000. Высокие дополнительные материальные и временные затраты на каждой итера¬ции по доводке вместе с тем фактом, что изготовление тестовых отливок позволяет только выявить проблемы, но не способы их устранения, часто заставляет останав-ливать процесс доводки в состоянии, когда некоторый повышенный уровень брака все еще может иметь место.
Альтернативные подходы к проектированию пресс-форм с использованием моделирования
С 1990-х гг. в компании Albany-Chicago при проек-тировании пресс-форм используются простые одномер-ные модели для получения общей информации о процес¬се запрессовки. Эти модели позволяют получать неко-торые полезные рекомендации, но не позволяют полно-стью моделировать запрессовку расплавленного металла в пресс-форму. Основываясь на доступной информации, инженеры компании провели оценку рынка вычислитель¬ных технологий для определения наличия такого программного обеспечения, которое позволило бы выявлять недостатки пресс-форм на основе вычислительных, а не физических экспериментов. Было проведено сравни-тельное тестирование используемой в компании программы с двумя более сложными CFD пакетами на пред¬мет возможности достоверного моделирования процес¬са запрессовки.
Результаты моделирования в пакете FLOW-3D® от компании Flow Science (США, www.flow3d.com) в значительно большей степени, чем другие программные про-дукты, соответствовали реальному процессу изготовле¬ния отливки. Возможно это следствие того, что данный пакет программ широко распространен среди литейщи-ков, которые специализируются на ЛПД, а разработчики FLOW-3D затрачивают значительные усилия для обес-печения точного моделирования процесса ЛПД. FLOW-3D доказало свою способность точно моделировать та-кие проблемы, как захват воздуха расплавом, различно¬го рода включения, макропористость. В компании Albany-Chicago разработан и используется новый процесс про-ектирования, который начинается с экспорта начальной геометрии пресс-формы во FLOW-3D, где выполняет¬ся моделирование процесса заполнения формы распла-вом. Далее по результатам моделирования выявляются указанные проблемы и при необходимости в геометрию вносятся соответствующие изменения с целью исклю-чения этих проблем или их минимизации. К изготовле¬нию пресс-формы приступают только после того, как до-биваются идеальной работы ее математического прото-типа. В результате, такой подход позволил значительно снизить число итераций по доводке пресс-форм и силь¬но сократить временные и материальные затраты.
Проблема микропористости
Несмотря на то, что моделирование позволило устранить ряд проблем до изготовления пресс-формы, было обнаружено, что в некоторых случаях предсказывались не все имеющиеся дефекты и, прежде всего, микропористость. Обращение в компанию Flow Science показало, что разработчики FLOW-3D знали об этой проблеме и уже работали над ее решением.
По мере охлаждения отливки в пресс-форме плотность металла повышается, так как интенсивность теп-ловых колебаний атомов, преодолевающих сильное ме-жатомное притяжение, снижается. Развивается усадка, которая приводит к понижению давление в расплаве. Неоднородность затвердевания отливки в пресс-форме обусловливает возникновение градиента давления, ко¬торый заставляет жидкий металл перетекать из менее затвердевших зон отливки в зоны более затвердевшие. При определенной степени затвердевания (доле твердой фазы] такое течение становится невозможным - металл останавливается, а компенсация усадки прекращается.
Микропористость характеризуется образованием в затвердевающем расплаве малых пор, средняя объем-ная доля которых около 1%. Проектирование пресс-форм без учета микропористости могло приводить к ситуации, когда отливки были качественными по всем параметрам, но отбраковывались по микропористости. Например, от-ливки, в которых моделирование показывало приемле-мую газовую (обычную] пористость, при испытании на гидроплотность протекали. Инженеры вынуждены были решать эту проблему методом проб и ошибок, используя традиционные средства управления микропористостью -добавлением дополнительных охлаждающих каналов в пресс-форме. Такой подход является трудным и дорогим, так как приходится изменять существующую пресс-форму или даже делать новую, без уверенности в том, что эти из-менения, в итоге, окажутся эффективными, в чем убедиться можно только после изготовления контрольных отливок.
Новая модель помогает устранить микропористость на этапе моделирования
Flow Science недавно ввела новую модель, специально разработанную для расчета микропористости. При моделировании затвердевания на каждом шаге расчета проверяются все малые контрольные объемы отливки (из которых состоит численная модель). Для каждого объе¬ма определяется доля твердой фазы. Если для текущего объема во всех соседних объемах (контакт по грани] доля твердой фазы выше критического значения (при котором течение расплава невозможно), то питание текуще¬го объема прекращается, а микропористость в нем возрастает на каждом шаге по времени пропорционально оставшемуся количеству жидкого расплава. Модель тре¬бует данные только основных физических свойств расплава и вносит не значительную дополнительную нагрузку на центральный процессор.
Она совместима с моделью расчета обычной пористости, а также может использо¬ваться при моделировании затвердевания отливки с полным гидродинамическим расчетом движения расплава в процессе затвердевания, также как и с более быстрым расчетом, в котором этим движением пренебрегают.
В компании Albany-Chicago впервые опробовали данную модель на отливке, в ответственной части которой наличие микропористости приводило к снижению предела пластичности материала. Компьютерное моделирование с учетом новой модели показало, что микропористость действительно образуется в данной области отливки. Добавлением к пресс-форме дополнительного канала охлаждения вблизи места образования микропористости проблему решить не удалось. Тогда был скорректирован процесс охлаждения пресс-формы между запрессовками.
Было уменьшено количество воды, которое распыляется вокруг зон с повышенной микропористостью, оставляя их более горячими. В этом случае, как показало моделирование, проблему удается решить за счет поддержания расплава в окружающих областях в жидком состоянии более длительное время. Этот прием фактически решал проблему микропористости в ответственной части отливки, пресс-форма для которой уже была изготовлена.
Новая модель также была использована для решения проблемы микропористости на распорной детали, располагающейся между крышкой и блоком цилиндров дизельного двигателя. После изготовления отливки в ней высверливались сквозные монтажные отверстия, по которым происходило нарушение герметичности при испытаниях на гидроплотность. И в этом случае компьютерное моделирование точно показало зоны, в которых образуется микропористость. Были внесены изменения путем добавления охлаждающих каналов. В данном случае, добивались быстрого охлаждения проблемных мест отливки, так, чтобы их затвердевание проходило быстрее или одновременно с затвердеванием окружающих их областей.Такой прием позволил решить проблему микропористости уже на первом этапе доводки пресс-форм.
Инженеры компании Albany-Chicago теперь используют эту модель при проектировании всех новых пресс-форм. Об эффективности новой модели можно судить по тому, что большинство пресс-форм теперь имеют требуемое качество уже на первой итерации, а общее количество итераций не превышает трех. Использование этой модели позволило существенно снизить затраты, которые раньше приходилось нести из-за большого числа итераций по доводке пресс-форм, а также сократить среднее время, требуемое для запуска новой пресс-формы в производство.
Для получения дополнительной информации обращайтесь к нам:
Flow Science Inc.
683 Harkle Road, Suite A, Santa Fe, NM 87505. Ph: (505] 982-0088, Fax: (505] 982-5551, E-mail: cfd@flow3d.com, www.flow3d.com
ЗАО «Русская промышленная компания»
101000, Москва, Петроверигский переулок, д.4, тел.: (495)744-0004, E-mail: volnov@cad.ru, www.flow3d.ru
