Katedra konstruování strojů Fakulta strojní
KA 01 - ODLITKY, VÝKOVKY
KA01.02
NUMERICKÁ SIMULACE PROCESU VYSOKOTLAKÉHO LITÍ SLITINY HLINÍKU
doc. Ing. Martin Hynek, PhD. a kolektiv
verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Stránka 1 z 46
Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na Katedře konstruování strojů Katedra konstruování strojů je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západočeské univerzitě v Plzni a patří na fakultě k největším. Fakulta strojní je moderní otevřenou vzdělávací institucí uznávanou i v oblasti vědy a výzkumu uplatňovaného v praxi. Katedra konstruování strojů disponuje moderně vybavenými laboratořemi s počítačovou technikou, na které jsou např. studentům pro studijní účely neomezeně k dispozici nové verze předních CAD (Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémů. Laboratoře katedry jsou ve všední dny studentům plně k dispozici např. pro práci na semestrálních, bakalářských či diplomových pracích, i na dalších projektech v rámci univerzity apod. Kvalita výuky na katedře je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na kterém se průběžně, zejména po absolvování jednotlivých semestrů, podílejí všichni studenti. V současné době probíhá na katedře konstruování strojů významná komplexní inovace výuky, v rámci které mj. vznikají i nové kvalitní učební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro podporu výuky. Jeden z výsledků této snahy máte nyní ve svých rukou. V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na katedře také do spolupráce s předními strojírenskými podniky v plzeňském regionu i mimo něj. Řada studentů rovněž vyjíždí na studijní stáže a praxe do zahraničí. Nabídka studia na katedře konstruování strojů: Bakalářské studium (3roky, titul Bc.) Studijní program
B2301: strojní inženýrství („zaměřený univerzitně“)
B2341: strojírenství (zaměřený „profesně“)
Zaměření
Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika
Design průmyslové techniky Diagnostika a servis silničních vozidel Servis zdravotnické techniky
Studijní program
Magisterské studium (2roky, titul Ing.) N2301: Strojní inženýrství
Zaměření
Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika
Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz
Západočeská univerzita v Plzni, 2014
ISBN © doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Marek Kováč Zbyněk Kuzma
Stránka 2 z 46
Numerická simulace procesu vysokotlakého lití slitiny hliníku
PRO NÁSTROJ KA01.02
Stránka 3 z 46
OBSAH: OBSAH: ........................................................................................................... 2 1
ÚVOD ....................................................................................................... 3
2 CÍLE ANALÝZY TECHNOLOGIE VYSOKOTLAKÉHO LITÍ DO KOKILY S OZNAČENÍM „FORMA 2“ ...................................................................................... 3 3
VSTUPNÍ PARAMETRY .......................................................................... 4
3.1
Geometrie ..................................................................................................................... 4
3.2
Výpočtová síť ............................................................................................................... 7
3.3
Počáteční a okrajové podmínky................................................................................. 8
4 4.1
VÝSLEDKY NUMERICKÉ SIMULACE .................................................. 10 Teplotní cyklování forem .......................................................................................... 10
4.2 Plnění odlitku ............................................................................................................. 19 4.2.1 Analýza chování kovu v komoře ............................................................................. 19 4.2.2 Analýza plnění dutiny formy .................................................................................... 24 4.3
5
Tuhnutí odlitku........................................................................................................... 32
ZÁVĚR ................................................................................................... 43
Stránka 4 z 46
1 ÚVOD Trvalá forma pro tlakové lití je komplexní sestavou mnoha částí, jako jsou vložky, rám formy, jádra atd. Výroba forem vyžaduje přesný geometrický popis každé zmíněné části. V současnosti je jedinou efektivní možností připravit geometrie ve 3D modelu. Je tedy naprostou samozřejmostí, že nástrojárny vlastní některý z moderních CAD systémů, které jsou nezbytnou pracovní pomůckou v rukou pokrokového konstruktéra. Obdobně se CAE systémy (např. SW ProCAST) dostávají do sléváren, kde slouží technologům při práci na přípravě a optimalizaci výroby odlitků. Dalším logickým krokem je optimalizace geometrie formy, vtokové soustavy a technologického postupu výroby odlitku již v procesu návrhu a přípravy produkce ocelových forem. Spojením schopností a vědomostí konstruktérů a technologů, kteří využijí CAE a CAD systémy pro návrh takové technologie, může být forma vyrobena bez nutnosti procházet časově náročným a nákladným procesem geometrických úprav a laděním procesu odlévání. Slévárny využívají CAE programy již ve fázi vývoje nových kokil a také pro optimalizaci stávající výroby. Cílem využití numerické simulace je snížení podílu nebo úplné odstranění neshodných výrobků, zkrácení výrobních časů a úspora nákladů v celém procesu výroby. Simulace navíc technologa i konstruktéra vzdělává a učí ho chápat souvislosti procesu, a tím mu dále napomáhá v jeho odborném růstu.
2 CÍLE ANALÝZY TECHNOLOGIE VYSOKOTLAKÉHO LITÍ DO KOKILY S OZNAČENÍM „FORMA 2“ Cílem je připravit technickou zprávu obsahující popis výpočtových modelů cyklování, plnění a tuhnutí aplikovaných na geometrii s označením „FORMA 2“. Zmíněné modely se používají při standardní analýze HPDC, kde se zkoumá vhodnost návrhu vtokové soustavy ovlivňujícím charakter zaplňování dutiny formy, design chladících a temperačních kanálu s ohledem na vhodné rozložení teplotních polí ve formě, charakter tuhnutí odlitku a vtokové soustavy z pohledu vzniku vnitřních vad typu porezita a další analýzy.
Stránka 5 z 46
3 VSTUPNÍ PARAMETRY 3.1
Geometrie
Prvotním vstupem pro konstruktéra formy je 3D geometrie poptávaného výrobku. Konstruktér musí od zákazníka zjistit, na které plochy výrobku je možné provést připojení vtokové soustavy, kde mu bude dovoleno připojit přetoky a kde si případně může dovolit úpravy geometrie, aby bylo možné odlitek za pomocí technologie HPDC odlít. Při přípravě tvaru odlitku je třeba počítat se smrštěním odlévaného kovu. Tímto způsobem se dopracuje ke geometrii odlitku (Obrázek 1)
Obrázek 1: Geometrie odlitku K odlitku je následně nutné vytvořit vtokovou soustavu. Vytváření vtokové soustavy je spojeno s velikostí odlitku a tak i možností menší odlitky vícekrát umístit do formy, pokud to rozměry licího stroje dovolí. Vznikají tak vícenásobné formy. Odlitek zvolený pro analýzu za pomocí numerické simulace je velice tvarově složitý. Lze u něj předpokládat použití většího množství pohyblivých jader, které budou utvářet tvary jeho bočních stěn a řady děr. Orientace a rozložení jader v podstatě zamezuje umístění více odlitků na jednu vtokovou soustavu. V takovém případě by totiž nebylo možné formu otevřít. Vtoková soustava se sestává z dutiny v tlakové komoře, tablety, vtokových kanálů, které jsou napojeny na naříznutí, propojující vtokovou soustavu s odlitkem (Obrázek 2). Zde byly použity 4 naříznutí, které by měly rovnoměrně rozvést tekutý kov do dutiny formy a omezit riziko uzavření plynů v tavenině. Na opačnou stranu
Stránka 6 z 46
odlitku bylo napojeno odvzdušnění formy. V tomto případě nebylo použito vakuování dutiny formy, které pomáhá snížit riziko uzavírání plynů.
Obrázek 2: Vtoková soustava Ve chvíli, kdy je nakreslena vtoková soustava je možné připravit numerickou simulaci plnění a tuhnutí, která může hned na úvod odhalit možná nebezpečí a obtíže při tlakovém lití. Takovéto simulace jsou spíše informativního charakteru, než aby byly brány jako absolutně přesné. Po schválení návrhu vtokové soustavy konstruktér vytváří geometrii celé formy. Jejími základními prvky jsou pevná a pohyblivá polovina, které se skládají z rámů a vložek vytvářejících tvar odlitku. Do formy zajíždí pohyblivá jádra. Tvar formy obsahuje i chladící a temperační okruhy. Proti části formy zvané rozražeč je připojena tlaková komora, kam se na počátku odlévání dávkuje tekutý kov přes nalévací otvor. Komoru uzavírá píst. Velikosti forem, místa napojení chladících a temperačních kanálů jsou dána typem a velikostí licího stroje. Pro tento projekt byla dodána kompletní geometrie forem (Obrázek 3 a Obrázek 4).
Stránka 7 z 46
Obrázek 3: Pohyblivá polovina formy
Obrázek 4: Pevná polovina formy Pro účely simulace se ve většině případů používá jen část geometrií formy. Jde především o to, přesně popsat části formy, které jsou blízké odlitku. V simulaci se tedy většinou používají následující objemy: píst, tlaková komora, rozražeč, pohyblivá a pevná vložka a jádra (Obrázek 5). Důvodem pro zjednodušení je úspora výpočtového času, který je spojen s velikostí výpočtové sítě. Empiricky bylo zjištěno,
Stránka 8 z 46
že při výpočtech přenosu tepla a proudění taveniny je zanedbání okrajových částí formy minimální chybou.
Obrázek 5: Náhled objemů použitých ve výpočtu Veškeré geometrie, které vstupují do výpočtu, musejí tvořit uzavřená objemová těla. Objemy na sebe navazují plochami, které se dotýkají. Jednou z úloh uživatele je provést operaci vytvoření sestavy, při které se vytvoří jedna dotyková plocha tzv. rozhraní pro každý pár objemů, které se vzájemně dotýkají. Tento postup je nutné dodržet pro veškeré konečno prvkové numerické simulace.
3.2
Výpočtová síť
Geometrie formy slouží při budování výpočtových sítí. Uživatel softwaru rozhoduje o kvalitě sítě každého objemu. Odlitek, vtoková soustava a přetoky mají většinou nejlepší kvalitu sítě. Zde se objevují velké teplotní i rychlostní gradienty, je tedy nutné tepelné a rychlostní změny, co nejpřesněji zachytit a to je možné při použití drobných elementů. V odlehlejších částech vložek jsou teplotní gradienty minimální, velikost elementů se zde zvětšuje. Po natažení povrchové sítě (Obrázek 6) na povrchy a její kontrole je možné vytvořit objemovou výpočtovou síť. Ta se běžně sestává z několika set tisíc objemových elementů až do několika desítek miliónů. V simulaci v programu ProCAST se využívá na povrchové síti trojúhelníkových elementů a v objemové síti tetraedrických elementů.
Stránka 9 z 46
Obrázek 6: Vytvoření povrchové sítě na površích tělesa. Na modelu byla vytvořena výpočtová síť. Počty automaticky vytvořených elementů lze vidět v tabulce 1. Tabulka 1: Počty elementů Statistika modelu
3.3
Povrchové elementy
402 831
Objemové elementy
6 935 431
Počáteční a okrajové podmínky
Před spuštěním simulace je třeba popsat celý proces cyklování, plnění a tuhnutí za pomocí okrajových a počátečních podmínek. Následuje jejich výpis v tabulce 2. Termofyzikální data byla získána z materiálových databázi prostředí Visual-Environment nebo vygenerována pomocí termodynamické databáze od firmy Computherm. Počáteční teplota formy byla zvolena 20 °C. Forma tedy není předehřívána, ale její nahřátí na provozní teplotu se provádí opakovaným odlitím hliníkové slitiny. U prvních zhruba deseti odlitků je forma natolik studená, že dochází k nezaběhnutí odlévaného kovu. Po dobu prvních deseti cyklů jsou chladící okruhy vypnuty.
Stránka 10 z 46
Tabulka 2: Počáteční a okrajové podmínky Parametr
Hodnota a jednotka
Odlévaný materiál
ADC12
Materiál formy
DIEVAR
Teplota taveniny při lití do 720 °C komory Teplota tlakové prvním cyklem
formy
před 20 °C
Licí stroj
Elap TL6 – 750
Vnitřní průměr komory
110 mm 5 s – zavření formy 7 s - čekání na nalití kovu, nalití kovu a ustálení hladiny kovu v komoře
Nastavení cyklu formy
35 s – nalisování a tuhnutí 5 s – otevření formy a vyjmutí odlitku 20 s – sprejování (10 s) a ofuk formy (10 s) Celková délka cyklu 72 s sonda 1: médium – demi voda 20°C, průtok 1 l/s sonda 2: médium – demi voda 20°C, průtok 1 l/s sonda 3: médium – demi voda 20°C, průtok 0,5 l/s sonda 4: médium – demi voda 20°C, průtok 1 l/s sonda 5: médium – demi voda 20°C, průtok 1 l/s
Chlazení formy
sonda 6: médium – demi voda 20°C, průtok 0,5 l/s sonda 7: médium – demi voda 20°C, průtok 1 l/s sonda 8: médium – demi voda 20°C, průtok 2 l/s sonda 9: médium – demi voda 20°C, průtok 2 l/s Chlazení vlnovce: médium – voda 20°C, průtok 10 l/s Chlazení tablety: médium – voda 20°C, průtok 12 l/s
Stránka 11 z 46
Schéma chlazení formy
Poloha pístu (mm)
Rychlost (m/s)
0
0
250
0,1
270
0,2
300
0,4
314
0,95
340
0,95
365
0,0
Průběh lisování
4 VÝSLEDKY NUMERICKÉ SIMULACE Nejčastější slévárenskou vadou u technologie vysokotlakého lití je porezita vzniklá objemovou změnou v průběhu tuhnutí kovu anebo uzavřením plynů v tavenině. Dalšími vadami je například nezaběhnutí, studené spoje, výskyt oxidických blan, nedodržení povrchové kvality odlitku z důvodu eroze formy či kavitace. To jsou příklady vad, které je možné hledat v simulacích cyklování, plnění a tuhnutí.
4.1
Teplotní cyklování forem
Činitelem, který spolurozhoduje o vzniku vad v procesech plnění, tuhnutí a chladnutí odlitku, je teplotní rozložení formy v průběhu jejího teplotního cyklu. Teplotní charakteristika formy je spojována s její geometrií, použitým materiálem, časováním cyklu a objemem tepla, který musí z odlitku odvést, a s regulací tepla za pomocí chladicích a temperačních členů. Teplotní cyklování začíná na nepředehřáté formě, která má v celém svém objemu 20 °C (Obrázek 7).
Stránka 12 z 46
Obrázek 7: Homogenní teplotní pole na počátku prvního cyklu. Bylo napočítáno 10 teplotních cyklů formy. V těchto výpočtech není uvažováno plnění dutiny formy. Každý jednotlivý cyklus začíná od chvíle naplnění dutiny formy kovem, následuje tuhnutí a chladnutí odlitku ve formě, otevření formy, vyjmutí odlitku z formy, ostřik obou polovin formy, ofuk formy, uzavření a čekání na další dávkování kovu. Na následujících stranách bude rozebrán desátý teplotní cyklus formy. Předchozí nejsou ve zprávě obsaženy, protože je jejich základní charakter podobný desátému cyklu. Na obrázcích 8 – 14 jsou zachyceny nejdůležitější okamžiky v průběhu teplotního cyklu. Protože není zapnuto chlazení umístěné proti tabletě, je již na počátku cyklu dosaženo celkem vysokých teplot v rozražeči a v komoře v místech blízkých tabletě. Chladící okruhy by v těchto místech bylo vhodné zapnout i pro prvních deset cyklů. Teploty na bočních jádrech nedosahují nijak extrémních hodnot. V průměru jsou vložky a jádra prohřáty na teploty blízké 180 °C, což je běžná provozní teplota forem na počátku cyklu. V místech, kde je kontakt mezi odlitkem a formou, lze pozorovat větší prohřátí formy. Naopak okrajové oblasti vložky se neprohřály více než na 50 – 100 °C.
Stránka 13 z 46
Obrázek 8: teplotní pole; počátek 10. Cyklu Nejvyšších teplot je na povrchu vložek dosaženo přibližně po devíti vteřinách desátého cyklu (Obrázek 9). Je to doba, kdy je odlitek ve fázi tuhnutí. Při tomto procesu přechází do formy velké množství tepla. Teplotně exponovaná místa formy jsou v důsledku teplotní expanze častokráte deformována a dochází v nich k cyklickému namáhání, které po určitém počtu cyklů může vést až porušení souvislosti materiálu formy.
Obrázek 9: teplotní pole; devátá sekunda desátého cyklu Po deváté sekundě se teploty odlitku a vložek na jejich rozhraní vzájemně blíží. Větší část odlitku je již v tuhém stavu. V tuhnutí nadále pokračují jen masivnější části odlitku a vtokové soustavy. Forma se otevírá v době (Obrázek 10), kdy je již celý odlev v tuhém stavu. Vedením tepla z prohřátých částí do studenějších se zrovnoměrňuje teplotní pole vložek.
Stránka 14 z 46
Obrázek 10: teplotní pole; Otevření formy Po otevření formy (Obrázek 10) výpočet uvažuje ukončení kontaktu mezi odlitkem a bočními jádry, i pevnou polovinou formy s komorou. Plochy jsou ochlazovány přirozeně proudícím vzduchem. Po uvolnění odlitku z pohyblivé poloviny formy (Obrázek 11) jsou již všechny vnější plochy vložek ochlazovány vzduchem. Odvod tepla do vzduchu je velice pomalý, takže rozdíly mezi teplotními poli na obrázku 10 a 11 jsou minimální.
Obrázek 11: teplotní pole; vyjmutí odlitku Po vyjmutí odlitku je třeba formu připravit na další zalisování. Intenzivní odvod tepla z povrchu formy nastává ve chvíli aplikace postřiku formy (Obrázek 12). Tepelná kapacita postřikového média a teplo nutné na jeho odpaření je získáno z tepla formy, což je spojeno velikým propadem teplot přímo na rozhraních. Nastavení simulace umožňuje vybrat přesně povrchy, kde je postřik aplikován a v závislosti na použitých tryskách, jejich počtu, průtoku média tryskami a teplotou média nastavit odvod tepla z těchto povrchů.
Stránka 15 z 46
Obrázek 12: teplotní pole; konec ošetření formy sprejem Dalším krokem je ofuk formy (Obrázek 13). Ofouknutí formy odvádí teplo z formy jen minimálně, je jen mírně účinnější než odvod tepla přirozeným prouděním vzduchu.
Obrázek 13: teplotní pole; konec ošetření formy ofouknutím Výpočet cyklování končí ve chvíli, kdy se forma opět celá uzavírá a čeká na další dávkování kovu (Obrázek 14).
Stránka 16 z 46
Obrázek 14: teplotní pole; konec desátého cyklu Srovnají-li se teplotní pole na konci devátého a desátého cyklu, pak lze nalézt jen menší vzájemné rozdíly teplot (Obrázek 15). Cyklus formy lze v tuto chvíli hodnotit jako ustálený. Je třeba pamatovat, že v průběhu těchto deseti cyklů bylo chlazení formy vypnuto a bude zapnuto až pro jedenáctý cyklus, kdy se předpokládá odlití odlitku, který nebude označen jako neshodný.
Obrázek 15: porovnání teplotních polí na konci 9. (vlevo) a 10. (vpravo) cyklu. Na pevné i pohyblivé polovině formy byla vybrána sada bodů, které leží na povrchu jednotlivých částí formy. Většina zkoumaných bodů je umístěna na povrchu, který je v kontaktu s odlévaným kovem. Bylo vybráno menší množství bodů z odlehlejších míst, aby bylo možné zkoumat postupné prohřívání formy. Pro vybrané body byly vyneseny průběhy teplot v čase (Obrázek 16, Obrázek 17, Obrázek 18). Na místech, která jsou v přímém kontaktu s odlévaným kovem, dochází po dobu tuhnutí odlitku ke strmému vzestupu teplot. Po otevření formy a vyjmutí odlitku se povrchové teploty snižují, ale největší propad teplot lze pozorovat po dobu aplikace
Stránka 17 z 46
postřiku. Po ošetření formy dojde opětovnému nárůstu teplot na jejím povrchu. Postřikem byla totiž ochlazena pouze povrchová vrstva kokily. Teploty se zvyšují přesunem tepla z objemu kokily k jejímu povrchu. Body, které byly vybrány na odlehlejších místech, se postupně mírně ohřívají v průběhu všech deseti cyklů. Přísun tepla od odlitku převyšuje odběr tepla na vnější straně vložek. Nejvyšší teploty, kterých vybrané body dosahují, se pohybují kolem 500 °C. Okamžité ochlazení formy může lokálně snížit teplotu až na 30 °C. Velké teplotní rozmezí v rámci cyklu formy vedou na tepelné namáhání formy a její možné porušení.
Obrázek 16: vlevo obrázek vybraných bodů na pohyblivé polovině formy; vpravo vynesení teplotních křivek z vybraných bodů
Obrázek 17: vlevo obrázek vybraných bodů na pevné polovině formy; vpravo vynesení teplotních křivek z vybraných bodů
Stránka 18 z 46
Obrázek 18: nahoře obrázek vybraných bodů na pohyblivých jádrech; dole vynesení teplotních křivek z vybraných bodů
Stránka 19 z 46
Obrázek 19: teplotní pole řez kokilou; zleva časové fáze: počátek 10. Cyklu; 9. Sekunda 10. Cyklu; otevření formy a vyjmutí odlitku
Obrázek 20: teplotní pole řez kokilou; zleva časové fáze: konec ošetření formy sprejem; konec ofouknutí formy; konec desátého cyklu Ve zvláštním zobrazení výsledků teplot je možné nechat zobrazit jen místa, která mají vyšší teplotu než uživatelem zvolenou (zde 220 °C). Obrázek 21 tak ukazuje místa, která jsou nejvíce prohřátá na konci desátého cyklu. Pokud by již nebyl proveden návrh chlazení formy, pak by toto zobrazení bylo dobrým
Stránka 20 z 46
pomocníkem při návrhu chladící soustavy. Sondy a chladící kanály jsou vhodně umístěny do těchto míst a měly by zabránit nadměrnému prohřívání formy.
Obrázek 21: Zobrazení míst s teplotami vyššími než 220 °C Načasování cyklu formy se dle simulace jeví jako vhodně navržené. Forma dosáhne po deseti cyklech provozních teplot a pracuje již v ustáleném teplotním režimu. Bylo by vhodné nechat spuštěný po celou dobu chladící okruh umístěný proti tabletě, aby se zabránilo nadměrnému prohřívání formy v těchto místech.
4.2
Plnění odlitku
Numerická simulace plnění odlitku navazuje na výsledky, které byly získány při simulaci cyklování. Teplotní pole kokily, jader a tlakové komory jsou přeneseny z konce 10. cyklu jako vstupní teploty pro výpočet plnění. Ve výpočtu je modelován pohyb pístu. Ten je do simulace převeden jako válcový objem, kterému je přiřazena křivka rychlosti. Rychlost pohybu pístu je definována stejně jako na tlakovém stroji závislostí rychlosti na poloze pístu.
4.2.1
Analýza chování kovu v komoře
Simulace plnění začíná v okamžiku po nadávkování tekutého kovu (Obrázek 22). Tekutý kov v komoře zaplňuje takovou část komory, aby jeho množství bylo dostatečné pro úplné zaplnění dutiny formy a vytvoření tablety předepsané velikosti. Počáteční objem tekutého kovu v komoře má definovánu konstantní teplotu 720 °C v celém svém objemu.
Stránka 21 z 46
Obrázek 22: teplotní rozložení na počátku 11. Cyklu
Stránka 22 z 46
Mezi nadávkováním a rozjezdem pístu je prodleva, která slouží pro uklidnění hladiny kovu. V simulaci byl tento časový úsek taktéž zakomponován, díky tomu lze pozorovat ochlazení kovu v komoře před rozjetím pístu a toto teplotní pole se také projeví při samotném zaplňování dutiny formy.
Obrázek 23: teplotní pole; rozjezd pístu
Stránka 23 z 46
Nastavení rychlosti pohybu pístu je vhodně zvoleno s ohledem na předejití vzniku vlny na hladině kovu a uzavírání plynů v kovu. Postupný nárůst rychlosti tzv. Parashot je správně předepsán, vzduch nad hladinou kovu je vytlačen ven z komory před frontou plnění (Obrázek 24, Obrázek 25, Obrázek 26)
Obrázek 24: teplotní pole; po uzavření nalévacího otvoru
Obrázek 25: teplotní pole; čas 9.89 s
Stránka 24 z 46
Obrázek 26: teplotní pole; okamžik před nastoupáním kovu do vtokového kanálu Obrázek 27 a Obrázek 28 zachycují rychlostní pole kovu v tlakové komoře. Na počátku je pohyb pístu velice pozvolný a tak je zabráněno vzniku vlny na hladině kovu. Rychlosti pohybu pístu začínají narůstat až v době, kdy kov vstupuje do dutiny formy. Maximálních rychlostí pístu je dosaženo při 75 % naplnění dutiny formy (Obrázek 28).
Obrázek 27: rychlostní pole; kov komoře s volnou hladinou; vpravo rychlostní pole ve chvíli vstupu kovu do prostoru odlitku
Stránka 25 z 46
Obrázek 28: okamžik dosažení maximální rychlosti pohybujícího se pístu.
4.2.2
Analýza plnění dutiny formy
Na počátku plnění se do dutiny formy dostává chladnější kov, který byl blízkosti okruhu chlazení u tablety. Teplejší kov zaplňuje odlitek až v pozdějších časech. Teploty kovu jsou po celou dobu plnění dostatečně vysoké a nedochází ke vzniku studeného spoje anebo nezaběhnutí do některé části odlitku. I přesto, že byla křivka rychlosti pístu dobře zvolena lze pozorovat rozdělení taveniny na větší množství proudů a rozstřiku kolem stěn (Obrázek 29). Tomu nelze zabránit, protože má odlitek velice komplexní geometrii obsahující větší množství děr.
Stránka 26 z 46
Obrázek 29: teplotní pole; 4 stádia zaplňování dutiny formy V okamžiku naplnění (Obrázek 30) je minimální změřená teplota na odlitku 561 °C, maximální 710 °C a průměrná teplota v objemu odlitku 697 °C.
Obrázek 30: teplotní pole po naplnění odlitku
Stránka 27 z 46
Výsledek teplota v okamžiku zaplnění ukazuje teplotu každého objemového elementu ve chvíli, kdy volná hladina kovu dosáhla tohoto místa. Tento výsledek pomáhá při detekci nezaběhnutí, k výskytu této vady v tomto výpočtu nedochází. Teploty jsou dostatečně vysoko nad teplotou likvidu.
Obrázek 31: teplota v okamžiku zaplnění
Stránka 28 z 46
Obrázek 32 ukazuje ve 4 časových momentech rychlostní rozložení proudící taveniny v dutině odlitku. Umístění všech 4 naříznutí na povrchu odlitku je vhodně zvoleno s ohledem na předpokládanou maximální rychlost v naříznutí 35 m/s. Prostor za naříznutími je vyplňován kovem a je jen malá pravděpodobnost, že by v jejich blízkosti docházelo k uzavírání plynů v tavenině. V naříznutí, které je na obrázcích třetí z levé strany, se dosahuje největší průtočnosti. Pro rovnoměrnější plnění by bylo vhodné posílit (zvětšit) dvě naříznutí na levé straně. Za nimi je odlitek zaplňován pomaleji.
Obrázek 32: rychlostní pole ve 4 fázích zaplňování odlitku
Stránka 29 z 46
Nejvyšších rychlostí proudícího kovu je dosaženo v blízkém okolí naříznutí (Obrázek 33). Tvar vtokové soustavy a naříznutí určují nasměrování hlavních proudů tekoucího kovu. 3 ze 4 hlavních proudů jsou nasměrovány k pravé části odlitku, proto je tato část rychleji zaplňována.
Obrázek 33: rychlostní pole: vlevo zobrazení rychlostí nad 10 m/s; vpravo úplné rychlostní pole Funkce 4 naříznutí byla ověřena na grafu, který ukazuje rychlosti ve zvolených bodech umístěných přibližně ve středu každého naříznutí. Dosahované rychlosti jsou srovnatelné, tedy naříznutí jsou využívány stejnou měrou.
Obrázek 34: Místa výběru kontrolních bodů v naříznutí; vpravo graf průběhu rychlostí v kontrolních bodech
Stránka 30 z 46
Doba plnění odlitku je 0.1222 sekund. Posledními zaplňovanými místy jsou ledvinky a kanály odvzdušnění. Funkce odvzdušnění je tedy zaručena po celou dobu plnění odlitku.
Obrázek 35: čas plnění
Stránka 31 z 46
Komplexní geometrie odlitku obsahuje množství míst, která jsou zaplňována se zpožděním. V takových pozicích se uzavírají kapsy plynu, který nemůže odcházet pryč z formy. I přes vhodně navržené odvzdušnění formy hrozí riziko rozptýlené plynové porezity v odlitku (Obrázek 36). Do blízkosti těchto míst by bylo vhodné umístit vyhazovače. Kruhové díry, které jsou na odlitku vytvořeny za pomocí jader, by měly mít po svém obvodě drážky pro odchod plynů z formy.
Stránka 32 z 46
Obrázek 36: výsledky rozložení plynů v dutině formy v průběhu plnění
Stránka 33 z 46
4.3
Tuhnutí odlitku
Simulace tuhnutí odlitku navazuje na dokončený výpočet plnění. Teplo je odváděno do dříve nacyklované formy, kde je nyní spuštěno chlazení formy v podobě chladících okruhů a sond. Nejrychlejší pokles teplot na odlitku lze pozorovat na jeho okrajových oblastech, kde je menší tloušťka stěn. Kolem středových děr se teploty mění pomaleji a odlitek tedy tuhne pozvolněji (Obrázek 37).
Stránka 34 z 46
Obrázek 37: Teplotní pole odlitku a vtokové soustavy v 5 časových momentech tuhnutí
Stránka 35 z 46
Obrázek 38 zachycuje tekutou část odlitku a její postupný úbytek v průběhu tuhnutí odlitku.Ve druhé řadě obrázku je zachycen čas blízký utuhnutí naříznutí. Tím se ukončuje funkce dotlaku a zbylý tekutý kov v odliku již není v dalším průběhu tuhnutí doplňován z vtokové soustavy. Velký objem kovu, který musí ztuhnout, prodělává významnou objemovou změnu, která se následně projevuje vznikem porezity v odlitku. Třetí a čtvrtá řada obrázků ukazuje tepelné uzly, které se v odlitku nacházejí.
Stránka 36 z 46
Obrázek 38: tuhnutí odlitku; výsledek frakce solidu; ztuhlý kov je transparentní
Stránka 37 z 46
Obrázek 39 obsahuje graf, kde jsou vyneseny křivky tuhnutí v naříznutích. Jako první ztuhne naříznutí, které je oproti ostatním odlehlé (bod 4). Zbývající tři naříznutí tuhnou přibližně ve stejný okamžik, který je na časové ose 14.33 sec od začátku nadávkování tekutého kovu.
Obrázek 39: vlevo v kontrolních bodech
pozice kontrolních bodů; vpravo průběh tuhnutí
Stránka 38 z 46
Nejdéle tuhnoucí tepelné uzly v odlitku by bylo vhodné intenzivněji chladit, jejich pozice se nacházejí po obvodu odlitku (Obrázek 40). Případně pokud by to zákazník a technologie dovolila, pak bylo možné přemístit zaříznutí na oblasti bližší tepelným uzlům. Samotný výsledek „čas do ztuhnutí“ měří čas od spuštění simulace až do okamžiku dosažení teploty solidu každého jednotlivého objemového elementu.
Obrázek 40: čas do ztuhnutí; dole zobrazení hodnot nad 18 sekund
Stránka 39 z 46
Čas tuhnutí (Obrázek 41) vypovídá o tom, jak dlouhá je doba naměřená v každém elementu mezi teplotami likvidu a solidu. Lze ji tedy spojit se samotnou rychlostí tuhnutí. Rozložení oblastí je identické jako u výsledku doba do ztuhnutí.
Obrázek 41: čas tuhnutí
Stránka 40 z 46
Výše byl popsán vznik množství tepelných uzlů, které tuhnou samostatně. S tím je spojený vznik porezity v odlitku (Obrázek 42). Pro vznik porezity jsou kritická místa napojení stěn odlitku, místa se zesílenou stěnou a výstupky, kde bude prováděno vrtání pro umístění čepů a šroubů. Nebezpečí vzniku porezity ve velké části těchto míst nejde snížit umístěním dalšího chlazení. Jedná se o natolik velké tepelné uzly, že by bylo nutné změnit geometrii samotného odlitku, což je možné provést pouze pro konzultaci s konstruktérem dílu.
Obrázek 42: porezita
Stránka 41 z 46
Vznikající porezita se vyskytuje v prostorech mezi chladícími sondami (Obrázek 43). Posunutím sond blíže k místům s porezitou by bylo možné omezit alespoň její velikost.
Obrázek 43: rozmístění chladících sond a porezity Největší aglomerace porezity byly vyobrazeny na řezech (Obrázek 44). V jednotlivých řezech jsou patrné přechody tlouštěk stěn a stěny, které mají největší tloušťku, jsou zasaženy vznikem porezity.
Stránka 42 z 46
Obrázek 44: porezita v řezech odlitkem Niyamovo kritérium je využíváno pro predikci mikroporezity. Při jeho výpočtu není brán v úvahu dotlak a metalistický tlak. Je založeno na velikosti teplotního gradientu a rychlosti tuhnutí. Vychází z předpokladu, že nejvhodnější podmínky pro vznik mikroporezity jsou v místech s malým teplotním gradientem a větší rychlostí ochlazování. Takové podmínky jsou splněny ve stěnách s konstantní tloušťkou a uprostřed tepelných uzlů. V analyzovaném odlitku se nachází řada míst, která dle tohoto kritéria nevhodně tuhnou. Toto kritérium je využíváno spíše jako informativní, než by se na něj spoléhalo při detekci mikroporezity.
Obrázek 45: Niyamovo kritérium
Stránka 43 z 46
Účinek chladících sond je jasně patrný na teplotním poli v jejich blízkém okolí (Obrázek 46). Jejich funkce se omezuje pouze na snížení teplot jader na pohyblivé a pevné polovině formy. Jak bylo psáno výše porezitu ovlivňují jen malou měrou a to díky jejich umístění dále od povrchu odlitku a mimo tepelné uzly.
Obrázek 46: teplotní pole, účinek chladících sond
Stránka 44 z 46
5 ZÁVĚR Pro dodanou geometrii „FORMA 2“ byla připravena povrchová a objemová síť způsobilá pro výpočet metodou FEM (finite element method). Příprava a vyhodnocení výpočtů byly provedeny v prostředí programu Visual-Enviroment firmy ESI Group. Výpočet byl spuštěn v programu ProCAST. Výsledkem simulací jsou podklady pro analýzu cyklování forem a dále plnění a tuhnutí odlitku. Načasování cyklu formy se dle simulace jeví jako vhodně navržené. Forma dosáhne po deseti cyklech provozních teplot a pracuje již v ustáleném teplotním režimu. Po celou dobu úvodních 10 cyklů by bylo vhodné nechat spuštěný chladící okruh umístěný proti tabletě, aby se zabránilo nadměrnému prohřívání formy v těchto oblastech. V průběhu plnění se ukazuje řada míst, kde může docházet k uzavírání plynů v tavenině. S ohledem na velkou složitost geometrie odlitku je možné doporučit pouze vakuování formy. Samotná křivka náběhu rychlosti pístu se jeví jako dobře navržena a její další úpravou by se pravděpodobně nepodařilo dosáhnout odstranění plynových kapes. Vtoková soustava a místa odvzdušnění jsou v rámci možností dobře umístěny. To potvrzují průběhy rychlostí v naříznutí, které odpovídají původnímu návrhu a také postupné zaplňování dutiny formy od naříznutí po odvzdušnění. Kromě uzavírání plynů nedetekovala simulace plnění další vady, jako je například eroze formy nebo vznik studených spojů a nezaběhnutí. Doporučujeme další spolupráci technologa a konstruktéra, aby byl potlačen objem vznikající porezity. Nevhodný postup tuhnutí lze ovlivnit postupným zapínáním a vypínáním chladících sond, změnou umístění sond a případně doplněním dalšího chlazení. To by mohlo být předmětem dalšího vývoje formy. Nejméně vhodnou je úprava geometrie výrobku. Pokud by se ale porezita vyskytovala v místech, která mají vliv na funkci dílu anebo takových, které jsou pohledové, pak by bylo nutné přistoupit k popsaným úpravám.
Stránka 45 z 46
doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D., Marek Kováč Zbyněk Kuzma
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0056 „Ukázkové vývojové projekty z praxe pro posílení praktických znalostí budoucích strojních inženýrů“. Stránka 46 z 46
