Челябинские ученые запатентовали уникальный метод моделирования кристаллизации сплавов для двигателестроения
Ученые Южно-Уральского государственного университета запатентовали компьютерную программу, позволяющую с высокой точностью прогнозировать физико-механические характеристики отливок из алюминиевых сплавов. Эта разработка была создана в рамках исследований, проводимых специалистами ЮУрГУ совместно с предприятиями региона.
В машиностроении наиболее распространённым способом получения деталей непростой конфигурации является литье жидкого металла (доля отливок в станкостроении и двигателестроении достигает 70-80%). Литьё позволяет сократить время и стоимость производства изделий самой сложной формы, однако имеет определенные трудности.
«Каждое изделие получается уникальным, невозможно идеально получить одну и ту же литую структуру несколько раз подряд, – объясняет заместитель директора Политехнического института ЮУрГУ Иван Ердаков. – Особенностью литейных процессов является их чётко выраженная стохастическая (вероятностная) природа. Это объясняется тем, что из нескольких сот факторов, влияющих на значение того или иного параметра, может быть зафиксировано несколько десятков, а остальные создают «шумовой фон» и «размазывают» значение параметра. Неизбежно происходит колебание температуры, скорости, времени заливки, а самое главное варьируется состав заливаемого металла. Это всё влияет на кристаллизацию сплава, вызывая образование микропористости и микротрещин и, как следствие, приводит к снижению эксплуатационных характеристик готовых изделий».
Для учёта этой особенности учёные разработали специальную программу, позволяющую смоделировать ключевой этап изготовления литых деталей ещё до запуска реального производства. Компьютерная модель учитывает все возможные отклонения и случайности, а также процессы, происходящие внутри алюминиевой заготовки от момента заливки жидкого сплава до его затвердевания: скорость зарождения центров кристаллизации сплава, доли формирующихся фаз, размеры зерна, размеры микропор и другие параметры, влияющие на прочность, износостойкость и долговечность конечного продукта.
«Наша программа моделирует именно этот сложный процесс: кристаллизацию сплава, – комментирует Иван Ердаков. – Благодаря ей инженеры могут заранее увидеть, какой получится структура детали и какими свойствами она будет обладать. Это значит, что они смогут выявить потенциальные проблемы еще до того, как начнется реальный производственный цикл, и принять меры по предотвращению брака».
Имитационное моделирование позволяет спрогнозировать качество отливок не только по основным параметрам, таким как твёрдость, предел прочности и относительное удлинение, но и с максимальной степенью точности «проигрывать» реальный ход процесса формирования структуры на микро-, мезо- и макроуровне. Внедрение программы в реальное производство снизит затраты на новые разработки, повысит их качество и ускорит выход на рынок. Предлагаемое программное обеспечение в сочетании с универсальными системами инженерного анализа позволит инженерам полностью в виртуальном пространстве воспроизводить производственный процесс, проверяя его на устойчивость и эффективность.
Патентованная технология особенно востребована в сфере производства сложных фасонных отливок, используемых в автомобильной, авиационной и судостроительной промышленности. По словам авторов проекта, эффективность разработанного алгоритма была проверена путем анализа результатов более 30 лабораторных испытаний и ряда промышленных образцов, изготовленных на действующих производственных площадках российских заводов.
Светлана Бацан