ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ PRO-CAST

АННОТАЦИЯ

Эта работа представляет собой исследование разработки системы литья для создания детали "улитка" из сплава 300Х32Н2М2ТЛ. Процесс осуществляется с использованием передовых компьютерных технологий в области литья. Исследование включает создание трехмерных моделей детали и литниковой системы с использованием программного обеспечения SolidWorks, а также моделирование с использованием программы Pro-CAST. Результаты моделирования анализируются для выявления дефектов, которые затем устраняются с помощью новой литниковой системы. После повторного моделирования подтверждается эффективность системы за счет отсутствия дефектов.

ABSTRACT

This work is an investigation into the development of a casting system to create a snail part from 300X32N2M2TL alloy. The process is carried out using advanced computer technology in the field of casting. The study includes the creation of three-dimensional models of the part and sprue system using SolidWorks software, as well as modeling using Pro-CAST software. The simulation results are analyzed to identify defects, which are then corrected with a new gating system. After re-simulation, the effectiveness of the system is confirmed due to the absence of defects.

Ключевые слова: литье, литьё в песчаной форме, литниковая система, Visual cast Simulation, Pro-CAST, SolidWorks.

Keywords: casting, sand casting, gating system, Visual cast Simulation, Pro-CAST, SolidWorks,

1. Введение

В процессе литья в песчано-глинистую форму используется один из старейших методов изготовления литых изделий с невысокими размерными точностями. Этот метод остается популярным из-за своей экономичности и способности создавать изделия различных размеров и весов [1]. В современном мире возросла потребность в литье с контролируемым затвердеванием, особенно в промышленных отраслях, где качество и надежность изделий играют важную роль. Математические методы, такие как метод конечных элементов, успешно применяются для моделирования процессов заполнения формы при традиционном литье. Однако, появление дефектов в процессе литья связано с множеством факторов, и их предотвращение становится ключевой задачей [2,3]. Современные технологии, такие как программное обеспечение для 3D-моделирования, играют важную роль в идентификации и устранении дефектов. В этой работе представлен аналитический эксперимент, направленный на оптимизацию процесса литья, включая создание моделей и использование программного обеспечения для численного моделирования, такого как Pro-CAST [4]. Исследование также охватывает применение моделирования для улучшения качества литых изделий, как показано на рисунке 1 изготовления улитки для насоса. В результате проведенных экспериментов получены полезные выводы, способствующие оптимизации производственных процессов и повышению качества литых изделий.

Рисунок 1. Трехмерная модель улитки насоса

2. Методология исследований

Цель данного исследования заключается в моделировании процесса затвердевания улитки и анализе результатов для рационального подбора компонентов, а также оптимизации параметров литья с целью достижения оптимальных свойств отливок деталей. Деталь была спроектирована с использованием программного обеспечения САПР Solidworks 2022, а для моделирования использовалось программное обеспечение CAE Visual-CAST с решателем Pro-CAST.

Использованный материал для отливки - высоколегированный чугун 300Х32Н2М2ТЛ, предназначенный для изготовления отливок деталей горно-металлургического оборудования. Химический состав приведен в таблице 1. Разработана трехмерная модель отливки улитки с литниковой системой при размерах 928 мм x 795 мм x 470 мм. Толщина отливки варьируется от 30 мм до 35 мм, имея сложную структуру.

Качество отливки подвергается проверке согласно стандартной методике контроля. Выбор расположения отливки и плоскости разъема влияет на правильное наполнение формы, предотвращение дефектов и эффективное извлечение детали. Применение программ моделирования и анализа литья помогает оптимизировать эти параметры, повышая эффективность процесса производства.

При проектировании литниковой системы учитываются различные параметры, включая усадочную пористость, наличие газовых пузырей, вероятность трещин и образование пригара. Эти аспекты требуют тщательного анализа и оптимизации в рамках процесса проектирования для обеспечения качественных и надежных литых деталей.

Важным моментом является управление турбулентностью путем поддержания скорости потока в затворах на уровне 10–12 кг/с. Расчеты размеров элементов литниковой системы проводятся согласно стандартным методам, результаты представлены в Таблице 2. Эффективность литниковой системы и отливка без дефектов обеспечиваются только при правильных размерах элементов.

Таблица 1.

Химический состав сплава 300Х32Н2М2ТЛ

Рисунок 2. Трехмерная модель отливки улитка вместе с литниковой системой

Таблица 2.

Размеры литниково-питающий системы

Следующие входные значения были введены в программное обеспечение для моделирования, чтобы превратить моделирование в ситуацию реального времени, а не в идеальную ситуацию.

Программное обеспечение Pro-CAST используется для моделирования процесса наполнения и затвердевания. В модуле Mesh-CAST размер ячейки отливки равен 10 мм, и всего насчитывается 2517790 ячеек. В модуле Pro-CAST выбирается режим литья в песчаную форму и соответствующие параметры, как показано в таблице 3. Условия теплопередачи поверхности оболочечной формы и двух стояков задаются как воздушное охлаждение.

Были выбраны следующие материалы для приготовления формы: 90% кварцевого песка, 3% жидкого стекла, 3% бентонита и 3% влаги. Были использованы экзотермические вставки в литниковой системе для снижения тепловых потерь и компенсации усадки во время затвердевания отливки.

3. Результат и обсуждение

Результаты эксперимента по литью в песчано-глинистую форму свидетельствуют о преимуществах этого метода, таких как возможность литья различных металлов, создание сложных геометрических форм и более низкая стоимость. Литниковая система, играющая ключевую роль в процессе, была разработана с учетом конструкции изделия, обеспечивая эффективный поток расплавленного металла и предотвращая образование дефектов.

Эксперимент включал использование стандартной литниковой системы с двумя поворотами. Первая пробная литниковая система, предназначенная для чугунных отливок среднего бакового типа, выявила дефекты в виде усадки, охватывающей всю область изделия, и макропористости, указывающей на неэффективность системы. Эти результаты потребовали внесения изменений в систему подачи металла для избежания дефектов в последующих экспериментах.

Вторая модель литниковой системы, представленная на рисунке 3, использовалась для последующих симуляционных испытаний. Первоначально возникали сомнения относительно ее осуществимости, однако анализ габаритных размеров детали показал, что она может быть реализована с имеющимися ресурсами. В процессе разработки данной системы внесены различные модификации, включая увеличение размеров, добавление литниково-питающих прибылей, применение экзотермических вставок и холодильника, как показано на рисунке 3. Целью этих изменений было перемещение пористости за пределы детали для получения качественных отливок, что продемонстрировано на рисунке 4. Данная система была преобразована в файл STEP и импортирована в программное обеспечение Pro-CAST для проведения симуляции. После ввода всех входных данных была выполнена повторная симуляция, результатом которой является затвердевание отливки, представленная на рисунке 4.

Рисунок 3. Трехмерная модель отливки улитка вместе с новой литниковой системой

Рисунок 4. Сравнение дефектов между исходной схемой (а) и оптимизированной схемой (б)

Проведен анализ литниковых систем для двух литниковой системы, и обнаруженные дефекты представлены на рисунке 4. Анализ включал температурный контур, поток жидкости и долю твердой фазы. Вторая модель литниковой системы сравнивалось с начальной, где первая литниковая система показала дефекты по всей отливке, в то время как вторая система обнаружила дефекты только в литниковой системе. Эти изменения во второй системе, включая увеличение размеров и использование специализированных вставок, обеспечили отсутствие дефектов в отливке. Процесс моделирования и анализа с использованием программного обеспечения Pro-CAST позволил оптимизировать литниковую систему, обеспечив бездефектное литье. Полученные результаты подтверждают, что применение различных литниковых конструкций и программного моделирования улучшает эффективность процесса, снижает стоимость и повышает качество продукции, обеспечивая контроль над дефектами и горячими точками.

4. Выводы

В результате моделирования процесса литья с использованием программы Pro-CAST были определены оптимальные параметры, такие как температура заливки, скорость потока и материалы, учитывая различные аспекты, включая длину потока и скорость в затворе. Различные методы анализа, такие как метод доли твердой фазы и усадочной пористости, использовались для интерпретации результатов и внесения соответствующих модификаций. Модифицированная система заливки, проанализированная на наличие дефектов, демонстрировала бездефектное поведение в симуляции. Эксперимент показал, что новая система заливки, разработанная с использованием программ Solidworks и Pro-CAST, обеспечит стабильное производство качественных литых изделий.

Список литературы:

1. Michael F. Ashby, David R.H. Jones Chapter 15 - Processing Metals 1, Int. J. Engineering Materials 2 (Fourth Edition) International Series on Materials Science and Technology 2013, 255-278
2. Mark Jolly, Prof. John Campbell’s ten rules for making reliable castings, J. Miner. Metals Mater. Soc. 57 (2005) 19–28.
3. Rajesh Rajkolhe, J.G. Khan, Defects causes and their remedies in casting process: a review, Int. J. Res. Advent Technol. 2 (2014) 2321–9637.
4. Liu, J.G., Yang, L., Fang, X.G., Li, B., Yang, Y.W., Fang, L.Z. and Hu, Z.B., 2020. Numerical simulation and optimization of shell mould casting process for leaf spring bracket. China Foundry, 17(1), pp.35-41.
5. A.R. Aripov, B.R. Vokhidov, A.A. Asrorov, F.I. Sayfullaev and M.N. Kurbonov, 2023. Application of sand mold casting modelling for casting pump volute. J. Phys.: Conf. Ser. 2697 012037.