Литье под давлением является одним из наиболее экономичных и высокопроизводительных технологических процессов, обеспечивающих удовлетворение быстрорастущих потребностей производства в большом количестве тонкостенных отливок из цветных сплавов. Данный вид моделирования широко применяется в автомобильной, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях при крупносерийном и массовом производстве. Популярность этого вида литья обеспечивается высокой степенью автоматизации процесса, возможностью получения точных отливок с минимальной шероховатостью поверхности, повышенными физико-механическими свойствами по сравнению с традиционными видами литья, а также меньшими затратами на производство и улучшенными санитарно-гигиеническими условиями труда рабочих.
Тем не менее, технологические особенности литья под давлением, при котором пресс-форма заполняется расплавленным металлом под действием поршня за доли секунды, значительно повышают сложность разработки литейной оснастки и требуют от технолога и конструктора учета большого количества факторов:
- технологичность изготавливаемой детали: отливка должна иметь преимущественно одинаковые стенки с минимальной толщиной;
- условия подвода металла в форму, разработку соответствующей конструкции литниковой системы и промывников для равномерного заполнения полости формы, своевременного удаления воздуха через систему вент без захвата воздуха в полости отливки;
- равномерное затвердевание на стадии подпрессовки для получения качественной отливки, что также может потребовать использования каналов охлаждения или нагрева в формах.
Для отливок сложной конфигурации с наличием большого количества отверстий и полостей, высокой разнотолщиностью трудоемкость разработки и последующего изготовления пресс-форм многократно возрастает, а необходимость последующей доработки или замены оснастки при наличии технологических ошибок и появлении литейных дефектов в отливках приводит к дополнительным временным и денежным затратам.
Вышеперечисленные проблемы и задачи предприятия требуют подготовки высококвалифицированных кадров и применение современных CAE-систем для компьютерного моделирования литейных процессов, которые позволяют проанализировать технологию изготовления отливки на начальном этапе проектирования литейной оснастки, оценить возможные проблемы и внести необходимые коррективы в технологию. Подобные системы моделирования литья уже широко применяются на российских и зарубежных предприятиях для сокращения производственных издержек, повышения качества продукции и снижение времени освоения новых изделий.
Российское решение
На российском рынке существует несколько CAE-систем, которые позволят выполнить высококачественное моделирование различных видов литья с высокой точностью, проанализировать полученные результаты и оптимизировать технологию изготовления отливок с учётом всех особенностей пресс-форм машины ЛПД. Одним из наиболее популярных решений является система компьютерного моделирования литейных процессов LVMFlow. Простота постановки задачи, точность моделирования и скорость получения результатов за счет использования метода контрольных объемов (рис. 1) сделало данную систему самой распространенной среди отечественных литейных производств и профильных учебных заведений.
Литье под давлением в LVMFlow
В качестве примера рассмотрим задачу моделирования литья под давлением отливки «Фланец» в LVMFlow. Данная деталь изготавливается из алюминиевого сплава АК12. Ввиду ее небольшого размера, в одной форме выполнены две отливки с общей литниковой системой.
Геометрическая модель (рис. 2), построенная в CAD системе и импортированная в LVMFlow через универсальный формат STL, состоит из:
- отливок,
- литниковой системы и промывников,
- двух рабочих плит пресс-форм,
- камеры прессования.
Настройка задачи состоит в построении расчетной сетки для загруженной модели и задании начальных и граничных условий (выбор материалов, литниковых точек, параметров заполнения, питающих точек, выпоров, параметров решателя и др.).
Интерфейс программы построен таким образом, чтобы инженер-технолог мог легко освоить программу и эффективно использовать ее в своей ежедневной работе. Кроме того, сетка контрольных объемов не требует повышенной точности поверхностей используемой геометрии, и расчетная модель может быть построена очень быстро - необходимо только указать размер ячейки сетки или общее количество элементов.
На рис. 3. отображен список загруженных из базы данных тел с заданными материалами и начальными температурами. Список материалов в базе данных LVMFlow обширен и обеспечивает потребности в моделировании большого круга литейных задач.
Первым шагом при моделировании подобной задачи стоит вопрос оценки рабочей температуры пресс-формы.
Процесс литья под давлением подразумевает изготовление большого количества отливок в одной форме за короткий промежуток времени. Следовательно, оснастка разогревается естественным образом от заливаемого сплава на каждом цикле, температура в форме зачастую неравномерна, что может существенно повлиять на характер затвердевания отливки и формирование усадочных дефектов. Это возможно учесть в LVMFlow при помощи моделирования циклического разогрева формы, в том числе учесть влияние каналов нагрева или охлаждения. Подобное моделирование чаще всего проводится без учета заполнения формы для сокращения времени расчета, выполняется только расчет кристаллизации отливки и нагрева формы от отливки с последующих охлаждением при взаимодействии с окружающей средой, каналами охлаждения и нанесении смазки. На рис. 4-7 представлены результаты теплового разогрева формы после 10 циклов заливки.
Вторым шагом выполняется основной расчет заполнения формы сплавом и кристаллизации отливки для оценки формирования возможных литейных дефектов.
В данном случае рассматривается полная постановка задачи с первоначальным заполнением камеры прессования и движения поршня в два этапа: с учетом медленной и быстрой фазы заполнения. В процессе заполнения можно учесть сопротивление воздуха в полости формы и его выход через систему вент в процессе заполнения, что критично для такого высокоскоростного процесса.
На рис. 8 отображены результаты заполнения формы с отображением температуры металла и формы. Также возможно оценить скорость потока в питателях и полости пресс-формы, захват воздуха сплавом, движение воздушных пузырей и др. В данном случае результаты отображают значительное скопление воздуха в средней части отливки, однако большая его часть вытесняется в центральный промывник.
Далее на рис. 9-12 приведены результаты кристаллизации металла в прозрачном режиме в виде расчетного поля «Жидкая фаза». Видно, что питатели затвердевают в первую очередь, и в центре отливки остается тепловой узел, который невозможно будет пропитать со стороны плунжера после кристаллизации питателей и литников. Это приведет к образованию усадочных дефектов.
Итоговая пористость в отливке отображена на рис. 13.
Для создания направленного затвердевания и устранения большей части усадочных дефектов можно применить каналы охлаждения в указанной зоне, чтобы уменьшить температуру формы и ускорить кристаллизацию сплава.
Заключение
Подготовка такого расчета в LVMFlow заняла не более 10 минут, а моделирование одного варианта технологии – около 50 мин, что позволяет оценить несколько вариантов технологий и выбрать наиболее оптимальный за один рабочий день.
Таким образом, LVMFlow позволяет технологу или конструктору литейной оснастки проанализировать литейную технологию в короткие сроки, наглядно увидеть характер течения металла в форме и кристаллизации отливки, увидеть дополнительные критерии (размыв формы, захват воздуха, шлаковые частицы и др.), понять причину образования дефектов и внести необходимые корректировки в технологию до производства литейной оснастки.