Введение

В настоящее время применение систем автоматизированного проектирования (САПР) позволило вывести проектную работу на новый уровень, обеспечивающий высокие темпы и качество производства. Программные пакеты автоматизированного проектирования необходимы для получения моделей, изготавливаемых методами 3D-печати. Внедрение аддитивных технологий в промышленность открыло новые горизонты в проектировании, предоставив возможность создавать сложные объекты более простым способом [1–4].

В литейном производстве программные пакеты также позволили проектировать модели деталей и литейной оснастки, а также производить расчеты процессов литья. Создание оснастки посредством печати на 3D-принтерах снижает продолжительность ее изготовления и увеличивает точность размеров [3, 4].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформированных полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [5].

Материалы и методы

В данной работе разработана модель отливки детали «Корпус», получаемой из магниевого сплава МЛ5п.ч. Проектирование модели проводили с помощью программного комплекса SolidWorks. Процесс разработки и сопутствующие ему мероприятия приведены далее. Создана 3D-модель по представленным заказчиком чертежам (рис. 1).

Рис. 1. Модель детали «Корпус»

Для спроектированной модели отливки выбрано расположение формы, определены литейные уклоны и задано расположение элементов литниковой системы. Различные типы литниковых систем имеют свои преимущества и недостатки, ввиду этого рассмотрены три варианта расположения отливки в форме и соответствующие им три вида литниковых систем.

Литниковая система – это совокупность каналов и приспособлений литейной формы, с помощью которых снабжают полость формы расплавленным металлом, для ее наполнения и подпитки в ходе кристаллизации. После завершения подачи металла в форму литниковая система и отливка какое-то время сообщаются, после чего отливка кристаллизуется. Предусмотрено также применение прибылей, которые будут питать жидким металлом узлы отливки в процессе ее затвердевания, что значительно снижает вероятность образования усадочных раковин и рыхлот. Прибыли устанавливают в тепловых узлах отливки, на обрабатываемых поверхностях [6–10].

Способ подвода жидкого металла к отливке в первом случае (вариант I) выбран в нижней части отливки (рис. 2, а). Преимущества такого способа подведения заключаются в обеспечении размеренного поступления металла в форму, легкости равномерного подведения сплава по контуру отливки, последовательном вытеснении воздуха и образующихся газов из каналов формы, достаточно простом удалении литниковой системы механической обработкой. Из недостатков литниковых систем такого типа можно выделить трудность предупреждения усадочных раковин и рыхлот в теле отливки, вследствие перегрева нижних слоев формы отливки.

Во втором случае (вариант II) подвод металла осуществлялся в различные части формы, которые представляют собой комбинированную литниковую систему (рис. 2, б). Преимущества данного расположения – в равномерном распределении температур по сечению отливки, что обеспечивает последовательную кристаллизацию. Но такая система сложна в исполнении и удалении при механической обработке.

В третьем случае (вариант III), как и в первом, выбрано нижнее расположение литниковой системы, но отливка перевернута относительно вертикали и подвод металла осуществляется не к основанию, а к верхнему цилиндру (рис. 2, в). Для данного расположения отливки в форме характерны те же преимущества и недостатки, что и в первом варианте. Но ввиду того, что более тонкие части отливки расположены ниже, ближе к питателям, становится возможным более равномерное затвердевание тонкостенных узлов, таких как ребра жесткости.

Рис. 2. Модель отливки детали «Корпус» по вариантам I (а), II (б) и III (в)

Дальнейшие операции по расчету процесса литья производили в программном комплексе ProCast. Такой программный комплекс компьютерного моделирования литейных процессов методом конечных элементов позволяет моделировать множество вариантов литейных технологий.

Расчет модели отливки в системе ProCast начинается с создания конечно-элементной сетки. Разбивка модели на элементарные ячейки для трех вариантов представлена на рис. 3. Создание сетки – важный и наиболее трудоемкий процесс, от которого зависит точность дальнейшего расчета. Для большей точности расчета можно уменьшить размеры конечных элементов, но в этом случае будет увеличиваться продолжительность расчета процесса. Оптимальным решением является уменьшение ячеек сетки в наиболее геометрически сложных или напряженных узлах и увеличение размеров ячеек в более простых. Поэтому элементы, на которые разбивали модель формы, имели большие размеры ячеек, а элементы модели отливки – меньшие [11–13]. Затем элементарным ячейкам отливки и формы присвоены характерные для заданных материалов параметры.

Рис. 3. Конечно-элементная сетка модели отливки «Корпус» по вариантам I (а), II (б) и III (в)

Так коэффициент теплопередачи между формой и отливкой, т. е. между магнием и кремниевым песком составляет 500 Вт/(м²·К) [14, 15].

Заданы также характеристики процесса литья, такие как скорость литья и температура сплава при заливке. Температуру заливаемого металла варьировали для каждого варианта подвода литниковой системы. За основную температуру заливки принимали 720°C, которая соответствовала стандартной температуре заливки для данного сплава. Выбирали температуру 760°C, превышающую стандартную температуру, а также 680°C – меньше, чем стандартная температура, что моделирует остывание ковша при заливке нескольких форм.

Критерием остановки расчета является достижение всем объемом виртуального металла температуры солидус (410°C – для сплава МЛ5п.ч.) [16] – иначе говоря, критической температуры, ниже которой в расплаве не остается жидкой фазы. Затем с помощью процессора компьютера произведен расчет конечно-элементной модели с назначенными свойствами.

Модуль Viewer в комплексе ProCast воспроизводит процесс заливки песчаной формы металлом и его последующее остывание. На рис. 4 изображен момент времени, в который металл заполнил все полости формы, и температура расплава во всей отливке, не считая литниковую систему, опустилась ниже температуры солидус. Согласно цветовой шкале, изображенной на рис. 4, температура изменяется от фиолетового до красного оттенка, обозначая меньшую и большую температуры жидкого металла соответственно. Размерность шкалы – в градусах Цельсия.

Рис. 4. Этап заливки детали «Корпус» на примере варианта I

Для оценки мест образования литейных дефектов в комплексе ProCast используются следующие расчетные параметры.

1. Тепловые узлы (HotSpots) – данный параметр применяется для оценки характера затвердевания отливки, а также мест формирования макро- и микропористости.

Модуль Hot Spots отображает тепловые узлы в отливке, которые кристаллизуются изолированно от основной массы металла, что приводит в конечном итоге к формированию усадочных дефектов. Физический смысл данного параметра состоит в следующем: в ходе моделирования затвердевания сплава для каждого расчетного узла сетки определяется продолжительность охлаждения сплава до критического значения количества твердой фазы, в это же время оценивается скорость кристаллизации металла. Те узлы, для которых продолжительность охлаждения до значения критической доли твердой фазы является локальным максимумом, фиксируются программой как центры тепловых узлов в параметре Hot Spots [17–21].

На рис. 5 представлено распределение тепловых узлов (мест концентрации температур) в отливке, по которому можно определить места возможного образования микро- и макропористости. Шкала имеет размерность «секунды» и характеризует продолжительность охлаждения каждого расчетного узла до значения температуры, при котором образуется критическая доля твердой фазы (устанавливается в соответствии с характеристиками сплава в интервале от 0 до 1).

Рис. 5. Распределение тепловых узлов при расположении отливки по вариантам I (а), II (б)
и III (в)

При заливке модели по варианту I наибольшая концентрация температур выявлена в основании отливки и локальных узлах на бобышках верхнего уровня отливки, что может привести к образованию микропористости. Охлаждение узлов с повышенной температурой осуществляют размещением в песчаной форме металлических вставок (холодильников).

При заливке модели по варианту II узлы концентрации температуры распределились по боковой поверхности по всей высоте отливки и в основании. В данном случае возможные места образования микропористости не концентрируются в одном месте, а базируются по большей части отливки. Предусмотреть холодильники для этого варианта будет сложнее, чем для варианта I.

В варианте III концентраторы температур рассредоточены по всему объему отливки, что дает менее благоприятную картину распределения возможных мест образования микропористости из всех вариантов подвода металла к отливке.

В варианте I тепловые узлы имеют более удобное расположение для дальнейшего их устранения посредством использования холодильников.

2. Время кристаллизации (SolidificationTime) – параметр, определяющий распределение времени превращения жидкой фазы в твердую по отливке и позволяющий выявить узлы, затвердевающие позже остальных. Этот параметр также позволяет определить места возможного образования усадочных дефектов [22].

Параметр Solidification Time для трех вариантов исполнения отливок представлен на рис. 6 и отображает время, при котором каждая из соответствующих зон достигает температуры солидус. Согласно шкале, первыми кристаллизуются зоны фиолетового оттенка, последними красного. Шкала имеет размерность «секунды» и характеризует время достижения температуры кристаллизации зон отливки.

В модуле Solidification Time хорошо видны те места в отливке, которые кристаллизуются последними или изолированно от остальных. Так, в вариантах I и II не наблюдается равномерного затвердевания снизу вверх. В дальнейшем это корректируется использованием холодильников, расположенных в форме. В модели варианта III имеется несколько образований, затвердевающих локально. Для всех вариантов отливок характерно быстрое охлаждение ребер и тонких стенок в верхней части отливок.

Рис. 6. Время кристаллизации тепловых узлов при расположении отливки по вариантам I (а), II (б) и III (в)

Все три варианта имеют характерные зоны, кристаллизующиеся значительно раньше остальной отливки.

3. Твердая фаза (FractionSolid) – параметр, дающий картину затвердевания отливки по времени и позволяющий прогнозировать усадочные дефекты в отливке [23–27].

Модуль Fraction Solid дает возможность оценить наличие локально кристаллизующихся зон в определенный момент времени и дополняет параметр Solidification Time, позволяя более наглядно наблюдать процесс кристаллизации посредством цветовых индикаторов в отливке. Данный параметр представлен на рис. 7 (шкала не имеет размерности) – значение «0» соответствует жидкой фазе расплава, значение «1» – твердой.

Рис. 7. Количество твердой фазы при расположении отливки по вариантам I (а), II (б) и III (в)

Расчет в комплексе ProCast показал, что в варианте I в отливке имеется меньший объем зон, в которых возможно образование усадочных дефектов и пористости, но необходимо предпринять ряд мер по предупреждению образования дефектов. Вариант I также более предпочтителен исходя из соображений механической обработки и разработки оснастки, он выбран в качестве рабочего. При дальнейшем изготовлении песчаной формы предусмотрены холодильники для основания отливки, в верхней части для бобышек и тонкостенных ребер предусмотрены дополнительные выпоры.

Варианты II и III показали худшие результаты в ходе расчета в комплексе ProСast – выявлен больший объем зон возможного формирования пористости. Оба варианта также нуждаются в более сложной механической обработке по сравнению с вариантом I.

На следующем этапе уточнена конструкция внутренних и внешних стержней, оформляющих геометрическую форму отливки. Проблемой, усложняющей проектирование моделей стержневых ящиков, стал выбор плоскости разъема формы. Конфигурация детали не позволяла однозначно определить эту плоскость, что привело к необходимости разработки стержней сложной конструкции.

Затем разработали и рассчитали литниковую систему.

Во избежание литейных дефектов, обусловленных нехваткой металла, в литниково-питающих системах предусмотрены прибыли. Это питающий элемент, представляющий собой полость, которая заполняется жидким металлом в ходе заливки. Прибыли также могут служить выпорами и шлакосборниками, посредством которых из отливки выводятся газы и неметаллические включения.

Рис. 8. Стержневые ящики и модели форм: а – модель верха; б – ящик для внутреннего стрежня; в – стержневой ящик

После проработки моделей стержней и отливки разработана модельная оснастка, включающая модели верха, низа и стержневых ящиков. Стержни должны легко извлекаться из оснастки, не разрушаться при извлечении, не иметь тонких элементов и острых углов. В связи с этим стержневые ящики выполнены многосоставными, разборными, обеспечивающими простоту извлечения стержня (рис. 8).

Результаты

После проведения полного расчета модели выбран способ изготовления, а также изготовлены и собраны стержни и полуформы. Затем в условиях литейного цеха проведены плавки магниевого сплава МЛ5п.ч. и изготовлены отливки детали «Корпус» (рис. 9).

Рис. 9. Отливки детали «Корпус»

Анализ геометрической формы полученных отливок показал, что использование САПР при разработке отливки и оснастки позволило предотвратить вероятные дефекты (незаливы, отклонения от геометрических размеров, утяжины и т. д.), а также сократить продолжительность производственного цикла изготовления детали и снизить вероятность брака.

Полученные отливки испытаны с помощью рентгенографического неразрушающего контроля. По результатам расшифровки рентгенографических снимков микрорыхлоты и другие дефекты не обнаружены.

Обсуждение и заключения

В результате данной работы в системе Solidworks спроектированы модели отливки детали и литейной оснастки, разработана литниковая система. Рассмотрены три различных варианта расположения модели в форме. Произведен расчет в программном комплексе для моделирования литейных процессов ProCast для трех литниковых систем, выбранных для различного размещения отливки. По результатам расчетов и анализа преимуществ расположения отливки в форме выбран наиболее оптимальный вариант, обеспечивающий меньшую вероятность образования литейных дефектов. Посредством системы ProCast также получена картина мест возможного образования микро- и макропористости и усадочных дефектов, что позволило предусмотреть систему охлаждения теплонагруженных узлов отливки. Проведена плавка и изготовлена экспериментальная партия отливок детали «Корпус». По результатам проведения рентгенографического неразрушающего контроля внутренние дефекты в отливке не выявлены.

Моделирование отливок и процесса литья с помощью САПР имеет ряд преимуществ – экономию времени и ресурсов.

В первом случае – это уменьшение времени на исправление модели и допущенных ошибок. В долгосрочной перспективе – это наработка базы, создание шаблонов, которые могут пригодиться при разработке других моделей и значительно сократить затраты времени.

Во втором – экономический эффект от использования САПР заключается в значительном повышении производительности труда при высоком уровне сокращения ошибок, перенесенных с модели непосредственно на изготавливаемый объект, и, как следствие, в улучшении качества изготовленных изделий.

Важным преимуществом использования программных комплексов также является возможность доработки и изменения модели на любом этапе работы в случае изменения технического задания или внесения технологических изменений в конструкцию детали. Невысокая стоимость и малые сроки выполнения расчета, а также большой объем и наглядность полученной информации о ходе технологического процесса и качестве будущей отливки делают компьютерное моделирование важнейшим инструментом опытного производства.