Soliditikation of Metais and Alloys, No. 32, 1997 h:n,cpnięcic Metali i Stop1iw, Nr 32, 1997 1'.\ :"\ - Oddzi
32/30
VYROBA ZDRA VYCH ODLITKU SE ZAMERENiM NA SI MULACI TUHNUTi ĆECH Jaroslav- BOĆEK Jan- BOUCNIK Pavel
VUT FS, BRNO, Technid;a 2
Dulezicym prostfedkem oplimalizace v)'robniho procesu lit) Ch soucasti je pocitacova simulace tuhnuti odlitku, ktera se postupne sta va nezbytn)11n inzenyrskym nastrojem . Dnesni modely zahrnuji predikci proudici taveniny behem plneni form y, cleformaci odlitku. vzajemny vztah kovu a formy, Jejich reakce a struktury odlevaneho kovu . 1
l. Uvod
Na pracovisti VUT, FS, UMI - odbor slevarenstvi se problematikou sinlllłace zabyvame jiz 5 let. Marne k dispozici program SIMTEC. Tento program resi metodou konecnych prvku (FEM) v modelu odlitku Fourierovu rovnici vedeni tepla. Była 1
provedena jiz cela rada kornerenich simulaci, jak ,jen" leplotnich pol L tak
vniti'niho pnuti a u slitin, kde były k dispozici vhodne ochlazovaci diagramy, i
simulace mikrostruktur. V soucasnosti provadime komplexni simulaci J-ady od litki't ze śede
litiny z CKD Hradec Kralove tj. simulace teplotniho pole, pnuti a mist mo żnych
vad. Vysledky modelovani verifikujeme s experimentalnimi mefenimi usl-..utecnenymi primo ve sleviune (ćasovy pru be h chladnuti ve zvolenych mistech) a s tldaJi ziskanymi pii naslednem studiu odlitku (metalografickY rozbor, rentgenove mercni pnuti, vniti'niho pnuti tenzometricky a pod).
nH~fe ni
241 2. Pouziti simulace
Slevarenstvf zaujima v pri'unyslu traclicne dulezitou pozici. HospodarskY rozvoj prumyslu nuti podn:iky ke stalemu zvysovani produktivity prace ve vsech oblastech sve cinnosti. Takoveho cile lze dosśhnout modemizaci technickeho zai'izeni a v neposledni rade zdakanalenim organizace prace, kde snahou je zkraceni casu vypracovani nabidky na poptavku a zkraceni terminu dodavek pfi zacl10vani jakosti odlitku.
Moinast jak tuto probiernatiku i'e5it je vedle skoleni pracovniku (vetSinou vsak mało ućinne)
zavedeni poćitacove simulace slevarenskych procesu do TPV.
Pod pojmem sirnulace rozumime znazomeni chovani fyzikalniho systemu pomoci modelovaru, kter)' zjednodusi provadenou studii. Razhodujlei ryznam pro procesy se zmenami teplot, respektive pro vY1Jocty pfenosu tepla behem slevarenskeho procesu V realnem
Ć ase
maj i termofyzika!ni data .
Simulaci je moine jiz v pfedryrobnich fazich predpovidat vznik moznych vad ci neclostatku v odlitku. Tyto vady !ze pfesne definovat (typ vady), <malyzovat vznik a navrhnout cestuk jejich odstraneni. V kratkem
ćase
se na
poćitaći
sim ul uje optimalni
varianta tvaru odlitku a pouzite technologie .
Simulacni softwary /ze rozdelit pomoci pouzitjch matematickjch metod na: A) Modulova metoda Jedna se onejstarsi postup pocitaćove analyzy zalozenou na empiriccych vztazich. V dnesni dobe se jiz nepouziva. (napf SOLSTAR) B) Metoda konecnych diferenci Pouzicy matematickY algoritmus rypoctu je jednoduchy, ale popis
płoch
odlitku
je znacne nedokonaly . (napi'. MAGMA)
C) Metoda konecnych prvku Jde o metodu nejmodemejsi. Geometrie je rozdelena do małych konecnych ćasti a za zjednodusujicich predpokladu o casove zmene teploty uvniti' kaideho prvku se fesi rovnice vedeni tepla
V
danem case
V
cele geometrii. Vyhodou je nizka narocnost
242 na pouzicy hardware a rychlost rypoctu . To urnoziiuje operativni nasazeni v kratkem case pi'edryrobnich etap TPV. (napi. SlMTEC)
Simulace probiha zpravidla ve trech krecich : a) PREPROCESSING - Tvar (geometrie) odlitku a formy se pi'ipravuje za pornaci modulu, vybaveneho funkcemi pouzivanych v CADovsrych programech. Modemejsi metodou tvorby geometrie je pfenos geometricrych dat vytvoi'enych v CAD programech (napi'.: Pro-Engineer, Catia, atd.). Pro prenos dat se pouzivaji standardni rozhrani VDA, !GES, nebo nejmodemejsi STL b) MAINPROCESSING - Nasleduje rypocet plneni dutiny formy, teplotniho pole behem liti , tuhnuti a chladnuti. Pi'i v)rpoćtu jsou jednotlirym material \lm pi'ii'azeny z databanky ruzne fy zikalni vlastnosti . Na zaklade rysledkil teplotniho pole je mozne vypocitat mikrostrukturo, nebo zbytkove napeti, clefonnaci a smrsti':ni v odlitku. c)
POSTPROCESSING
Vysledky
JSou
zobrazeny
na
obrazovce .
Vyhodnocovat procesy lze za pornaci prubehu teplotniho pole, izoterem a kiivek chladnuti, nebo podle ruznych chyborych kriterii. Analyzovat !ze kterekoliv misto v odlitku.
Software pro vsechny technologie
Simulacni software SIMTEC je vhodny pro vsechny bezne uzivane teclmologie ve slevarenstvi - liti do piskorych, skoi'epinorych nebo kovovych forem . Pro liti gravitaćni ,
tlakove i nizkotlake . Datahanka obsahuje standardne vice nez sto
nejpouzivanejsich materialu - oceli, litiny, slitiny medi , hliniku, hafciku, titanu, niklu aj. Pro definici forem nejpouzivanejsi disperzni smesi, nastrojove oceli pro ryrobu trvalych forem atd. Nelze opomenout i okolni prosti'edi forem, materiały izolaci, media pro chlazeni a vyhfivani trvalych forem
Sirnulace plneni odlitku je velmi dulezitou soućasti pro eliruinaci rady vad, spojenych s proudenim kovu . Behem plneni formy dochazi k pastupnemu ochlazovani kovu, v extremnim pi'ipade az ke ztuhnuti, ktere zamezi tomu, aby se dutina formy
243 zcela zaplnila. Nehomogenitou teplotniho pole jiz na zacatku ochlazovani (hned po zaplneni fonny) dlochazi casto k velroi rozdilnym strukturaro v jednotlivych castech odłitku .
Rozdilnost techto struktur je nepi'istupna a vede ke zmetkovitosti. U tlakorych
forem se nepfiznivym proudenim taveniny snizuje kvalita povrchu. Pro kovove formy je velroi dulezite umisteni pfetoku a odvzdusneni
3. Simulace mikrostruktury
Programy na i'eseni simulace mikrostiUktuty jsou pokracovanim ve v)'voJI modelovani slevarensk}'ch procesu. Od pocatku 80 !et, kdy nastoupila era numericke simulace a modelovani, doslo hlavne v paslednim desetileti k namstu aktivit a praci v teto oblasti. Tento proces
był
umoznen i nasazenim rykonneho poCitacoveho vybaveni.
(l ) Prvni pl'istup k i'e5eni predikce mikrostruktury je postaven na "klasickem" postupu, kdy i'esirne prusecik kfivek chladnuti s pfislusnymi
obłastroi
ochlazovaciho
diagramu ARA. Do pocitace jsou vlozena data charakterizujici pi'islusny graf a po rypoctu ziskaviime infonnace o struktui'e celeho odlitku. Vyhodou je jeho jednoduchost a rychlost v)'poctu. Lze takto ziskat
dalSi
infonnace jako je rysiedna tvrdost. (2) Neryhoclou tohoto postupu je, ze ochlazovaci diagram je vyhotoven jen pro jedno chem. slozeni slitiny. Cely dej odlevani je vsak silne stochasticry, mistne a casove promenny a velrni citliry na zmeny. Vedle teplotniho prubehu plisobi na tvorbu struktur rada ruznorodych parametru jako je zpusob taveni, slo:i:eni taveniny, ockovani, pi'esnost odlevani, modifikace, lici soustava, stav nukleace taveniny a dalSi. V prubehu odlevani a misledneho chladnuti vsak probihaji i deje, ktere meni zastoupeni a porner jednotłirych
pivku
V
mistech odlitku. Navic veskere technicke slitiny, s ryjirnkou
aroorfnich skel, tuhnou vzdy dendriticky, coz jiz samo o sobe pi'edstavuje v)'raznou chero. nehomogerutu.
244 DalSi pi'istup, ktecy se v posledni dobe rozviji je. popis chovcini mikrostruktury jejim modelovcinim. Nove - ve svete vyvinute simulacni programy popisuji mikrostrukturo na zaklade modelu tvoi'eni zarodku a nasledneho rustu pevne faze v tavenine se zahrnutim termodynamiky procesu. (3)
u deterministicrych
modelu jsou jak pro tvoi'eni tak i pro nasledujici rust
odvozeny \')'razy ktere pi'i pfedem danych podminkach chladnuti vedou vzdy ke stejn}'m v)'sledkl!m. V posledni dobe rostou snahy stochasticryrni modely simulavat primo strukturo tuhnuti, jak je znama z v)'brusu, tedy rozdeleni zm s jejimi hranicerni, jejich formu, orientaci krystalli atd. Vedouci postaveni v teto oblasti ma skupina kołem Prof. Rappaze z EPFL Lausanne, ktera do simulace zavedla metodu tzv. bunecnych automatU. Tako\')' zpusob simulace vniti'nich rypoctU urnomuje stanoveni prumeme hustoty zm jako funkci mis ta, pfechod mezi sloupkovicymi krystały a vnejsim pasmem globuliru, distribuci cetnosti velikosti zm, poctu nejblizsich sousedu Ci distribuci ćetnosti
orientace krystalu
Pi'i modelovcini deju probihajicich na t!rovni jednotliv)'ch zm Ci ramen dendriru je nutne provest zesit'ovcini oblasti na plochu mensi nez je jejich oćekavana velikost. Cas v)'poćtu, pi'i pouziti takjemne site, samozi'ejme velrni naroste. (4) Samotne prakticke vyuziti modelovcini je pi'i popisu tuhnuti odlitku jako ceiku. Cilem by mela bYt vedle predikce mikrostruktury a ji odpovidajicich mechanicrych vlastnosti i piedpoved' v)'sledne chem. nehomogenity. Takto lze upozornit na kriticka rnista, kde kombillace a kancentrace prvku by mohla vest k Jomfun
ci jinym defektfun,
ktere by v)'raznejsim zpiisobem ovlivnily celkove vlastnosti odlitku. (l) Vyu:liti miize bYt i pi'i volbe vhodneho tepelneho zpracovcini, kde jiz s pi'ihlednutim k rysledkum predikce, se ma docilit pozadovanych mech. vlastnosti pi'i vhodne ekonomice cele technologie. U jeho modelovani se vychazi z piedpokladu, ze tepelny rezim je
dostatećne
popsim pfi respektovani teplotne zavislych cleni'!. (5)
245 4. Zaver Rozvoj simulace tuhnuti se stava stale vice soućast:i pi'ipravy konstrukce a technologii litych soućasti . Lze vypocitat pochody plneni formy, tuhnuti, chladnuti, parametry struktury, fazove pi'emeny, mechanicke vlastnosti, smrsteni, deformace a pnuti. Je nutno zdtiraznit uzkou m\vaznost na konstruktera i technologa, ktei'i se podileji velkou mero u na tom zda odlitek bude zdra\)' a tim konkurenceschopny . Simulacni technika je rozSii'ena i na vysokYch skolach s orientaci na sli:varenstvi, metalurgii a materialove in.Zenyrstvi, kde jsou studenti s touto pokrokovou technologii Seznamovani
V
nimci SVeho Studia.
LITERATURA: (l) SAHM R. P. , LUDWIG A. : The Edge of Development in Sand Casting Process Simulation, sbornik Proceedings ofthe Technical Forum, str. 13 - 15, Illinois, USA, 1996
(2) MIKULA J., HAVEL M.: Pocitacova simulace slevarenskYch procesu program SIMTEC, str. 13 - 17, Maschinenmarkt, c. l , rocnik I - brezen 1997 (3) STEFANESCU D. M., PIWONKA T.S. : Promises and Realites of Casting Process Models, sbornik Proceedings of the Technical Forum, str. 62 - 71, lllinois, USA, 1996 (4) ANDREAS L., BUHRIG A., POLACZEK: Simulace technologickych procesu, Slevarenstvi, 2-3/1997, str. 110- 113 (5) Transactions ofthe American Foundrymen 's Society 103, 1995, pfedtisk 95058
Prace byla zpracovana za podpory ukolu GA CR reg. c 106/95/0472 Doc. lng. Jaros1av Cech, CSc- VUT, FS, UMI- odbor slevarenstvi, Brno Ing. Jan Boćek- VUT, FS, UMI- odbor slevarenstvi, Brno lng. Pavel Boucnik- VUT, FS, UMI - obor slevarenstvi, Brno
