BUDOWA MODELU DYNAMICZNEGO WYTĘŻENIA MATERIAŁU FORMY CIŚNIENIOWEJ KOMPUTEROWA SYMULACJA PROCESU ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO

Transkrypt

1 13/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN BUDOWA MODELU DYNAMICZNEGO WYTĘŻENIA MATERIAŁU FORMY CIŚNIENIOWEJ KOMPUTEROWA SYMULACJA PROCESU ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO Z. GAWROŃSKI 1, R. ŁUKASIEWICZ 2, M. GÓRECKI 3, Z. NIEDŹWIEDZKI 4, Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE W pracy omówiono metodę wyznaczania dynamicznego obciążenia roboczej powierzchni formy ciśnieniowej w czasie zalewania jej ciekłym stopem aluminium oraz wynikającego stąd wytężenie materiału formy. Przedstawiono wyniki i analizę wielkości procesu zapełniania wnęki formy oraz sposoby zwiększenia użytkowych właściwości formy ciśnieniowej. Key words: pressure mould, pressure die casting 1. WSTĘP Stosowanie technik komputerowych w projektowaniu odlewniczych form ciśnieniowych jest coraz bardziej rozpowszechnione, a w USA jest już standardem opracowanie nowej konstrukcji formy w układzie 3D [2]. Dla odlewu, którego zadaniem jest również spełnienie funkcji dekoracyjnej, sporządzenie nowego projektu w systemie 3D pozwala nie tylko lepiej i plastyczniej zaprezentować jego kształt, kolorystykę i zastosowanie, ale jednocześnie opracować najbardziej optymalną technologię produkcji. 1 Dr hab. inż. Zbigniew Gawroński prof. PŁ 2 Dr inż. Rafał Łukasiewicz Wifama-Prexer Sp. z o. o. 3 Dr inż. Marek Górecki Instytut Inżynierii Materiałowej PŁ 4 Dr hab. inż. Zenon Niedźwiedzki prof. PŁ, p.lodz.pl 113

2 Prace projektowe można prowadzić w wirtualnej rzeczywistości z wykorzyst a- niem odpowiednich programów począwszy od fazy projektu całego urządzenia, poprzez analizę konstrukcyjną i technologiczną poszczególnych jego podzespołów [2]. Całość zintegrowanego systemu projektowania obejmuje programy CAD (Computer Added Design), rozbudowane o systemy realistycznej wizualizacji, pozwalające na uzyskanie bardzo rzeczywistego obrazu projektowanego zespołu. Programy te umożliwiają powiązanie poszczególnych współpracujących zespołów i ocenę ich wzajemnej zależności w czasie pracy. Obecnie systemy CAD posiadają bardzo rozbudowaną strukturę, ukierunkowaną na potrzeby konkretnych prac projektowych. Jednym z przykładów zaawansowanego modułu jest Tool Design Option (Floating) w systemie Pro/ENGINEER. Moduł ten wspomaga zagadnienia związane z konstruowaniem oprzyrządowania technologicznego przez możliwość definicji podziału formy i kontroli geometrii odlewu pod kątem otwierania formy oraz możliwość uwzględnienia procesu skurczu materiału. Dalszym etapem projektowania jest ocena poprawności konstrukcji po d względem obciążeń mechanicznych i cieplnych w czasie pracy. Służą do tego programy wykorzystujące Metody Elementów Skończonych (MES), pozwalające na analizę stanu naprężeń w poszczególnych elementach. W przypadku tradycyjnego projektowania dochodzenie d o pozytywnych rezultatów procesu odlewniczego wymaga przeprowadzenia wielu prób (pociąga to za sobą np. przekazywanie formy na warsztat aby zmienić układ wlewowy lub odpowietrzający). Wyniki testów nie zawsze dają jednoznaczne odpowiedzi na powstające problemy natury konstrukcyjnej i technologicznej. Przesłanki zwiększające trwałość formy ciśnieniowej omówiono w pracach [1-2] oraz [4]. 2. WYZNACZENIE OBCIĄŻENIA POWIERZCHNI ELEMENTÓW FORMUJĄCYCH PRZY POMOCY MODELOWANIA 3D ORAZ SYMULACJI KOMPUTEROWEJ PROCESU ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO 2.1. Budowa modeli 3D próbnej odlewniczej formy ciśnieniowej Model dynamiczny wytężenia odlewniczej formy ciśnieniowej został opracowany na przykładowo zaprojektowanym prostym w kształcie detalu odlewniczym przy p o- mocy w/w pakietów oprogramowania. Pro/ENGINEER jako pakiet konstrukcyjny w budowie dynamicznego modelu wytężenia formy posłużył do wykonania: modelu 3D gotowego odlewu - rys. 1a, modelu technologicznego 3D zawierającego odlew ciśnieniowy z założonym skurczem, układem wlewowym wraz z przelewami i odpowietrzeniem - rys. 1b, modelu 3D odlewniczej formy ciśnieniowej - rys. 2a i b. a) b) 114

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 1. Modele 3D: a) gotowy odlew, b) model technologiczny odlewu. Fig. 1. 3D models: a) ready cast, b) technological model of the cast a) b) Rys. 2. Modele 3D: a) element formujący matryca, b) złożenie elementów formujących Fig. 2. 3D models: a)forming element- die, b) assembly drawing forming elements 115

4 Ze względu na ograniczoną moc obliczeniową dostępnych komputerów oraz bardzo dużą złożoność modelowania zjawisk towarzyszących odlewaniu ciśnieniowemu w obliczeniach numerycznych posłużono się wstępnie modelem uproszczonym 2D uzyskanym z przekroju formy ciśnieniowej o szerokości 1 mm (rys. 3a). Model ten został poddany dalszemu opracowaniu w programie ANSYS. Przy wykorzystaniu tego modelu stworzony został algorytm pozwalający analizować powstające naprężenia w wyniku oddziaływania strugi ciekłego stopu aluminium na powierzchnie formujące. Utworzony algorytm w późniejszym etapie analizy został zastosowany z powodzeniem dla rzeczywistego modelu 3D formy odlewniczej (rys. 3b). a) b) Rys.3. a) model uproszczony 2D przekroju formy ciśnieniowej, b) model 3D formy ciśnieniowej Fig.3. a) 2D simplified representation of pressure die, b) 3D model of pressure die 2.2. Budowa modelu dyskretnego elementów formujących Model dyskretny elementów formujących (rys. 4 i 5) stworzono przy wykorzystaniu programu ANSYS, przyjmując do ich budowy elementy płaskie o dwóch sto p- niach swobody w węźle. W programie tym opierając się na metodzie elementów skończonych MES model podzielono na szereg małych domen. Siatkę zbudowano w ten sposób, że p owierzchnia modelu formy stykająca się bezpośrednio z ciekłym aluminium podzielona została na domeny o wielkości 10 x 50 μm do głębokości 200 μm (rys. 4.b). Kolejne domeny wypełniające cały model utworzone zostały płynnie zaczynając od wielkości 50 x 50 μm, a ko ń- cząc na wielkościach rzędu 1500 x 1500 μm. W opracowanym modelu dyskretnym 3D (rys.5) wyselekcjonowano przy powierzchni styku forma ciekły stop aluminium, submodele o wielkości kilkudziesięciu mikrometrów celem przeprowadzenia subtelnej analizy naprężeń własnych w warstwie wierzchniej. 116

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 4. a) Model dyskretny przekroju formy podzielony na szereg elementów skończonych (siatka MES), b) siatka MES na styku formy i ciekłego aluminium Fig.4. a) Discrete model of the die divided into series of finite element (FEM mesh), b) FEM mesh at the contact point Rys. 5. Model dyskretny 3D formy podzielony na szereg elementów skończonych (siatka MES) Fig.5. Discrete 3D model divided into a series of finite elements (FEM mesh) 117

6 2.3. Budowa modelu dynamicznego do badania wytężenia formy ciśnieniowej komputerowa symulacja procesu odlewania ciśnieniowego W pierwszym etapie symulacji komputerowej w układzie uproszczonym został rozwiązany proces przepływu (rys. 6) oraz określono rozkład temperatury wewnątrz formy. Było to niezbędne dla zidentyfikowania miejsc, w których występują maksymalne ciśnienia i pola prędkości strugi ciekłego aluminium. Rys. 6. Symulacja komputerowa procesu odlewnia - wtrysk ciekłego stopu aluminium do wnętrza formy dla wybranych z symulacji kroków czasowych Fig. 6. Computer simulation of casting process- molten aluminium injection into a cavity for selected, from simulation, time steps Przedstawiony w symulacji komputerowej wtrysk ciekłego stopu aluminium do wnętrza formy cechuje wyraźne rozproszenie strugi ciekłego metalu. Jest to spowodowane użyciem modelu uproszczonego. Widoczny na rys. 6 pęcherz gazowy eliminuje założenia tego modelu dla rzeczywistego procesu odlewania. Należy jednak zauważyć, że zastosowane uproszczenie było konieczne dla wyznaczenia algorytmu pozwalającego analizować powstające w materiale formy naprężenia będące sutkiem oddziaływania strugi ciekłego stopu aluminium na powierzchnie formujące. Następnie wykorzystując opracowany algorytm i doświadczenia dla modelu upros z- czonego 2D, przystąpiono do symulacji wtrysku dla układu trójwymiarowego 3D. Zastosowany model 3D w pełni oddaje warunki jakie panują podczas wtrysku. 118

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Symulacja ta została wykonana do momentu pełnego wypełnienia wnęki formy przez ciekły stop aluminium (rys. 7). Rys. 7. Symulacja komputerowa 3D procesu odlewnia ciekłego stopu aluminium do wnętrza formy Fig.7. 3D computer simulation of casting process of the molten aluminium injection into the cavity die Jak wynika z analizy proces wtrysku przedstawionego na rys. 7 jest on w pełni ustabilizowany i nie zakłócony powstawaniem pęcherzy gazowych co miało miejsce w układzie uproszczonym 2D. Z rysunku tego wynika też, że w pierwszej kolejności wypełniana jest dolna część wnęki formującej, następnie część górna, a w ostatniej fazie wtrysku wypełniane są przelewy. Świadczy to o dobrze usytuowanych miejscach położenia przelewów i prawidłowym odpowietrzeniu wnęki formującej. Przeprowadzona pomyślnie symulacja komputerowa 3D wtrysku ciekłego stopu aluminium do formy pozwoliła w dalszym etapie badań na analizę charakterystycznych dla procesu odlewania wielkości. Określono kolejno pole temperatury (rys. 8), pole ciśnienia na powierzchniach formujących (rys. 9) oraz pole prędkości strugi ciekłego aluminium (rys. 10). Analiza pola temperatury (rys. 8) wskazuje na miejsca, które będą szczególnie narażone na długotrwałe działanie wysokiej temperatury podczas wtrysku. Pozwala to między innymi na określenie miejsc, w których może wystąpić zjawisko lutowania, dając tym samym sygnał do zastosowania operacji technologicznych przeciwdziałających powstawaniu na tych powierzchniach związków intermetalicznych. 119

8 Rys. 8. Pola temperatury w układzie 3D dla wybranych z symulacji kroków czasowych Fig. 8. The temperature distribution fields in 3D setup for selected, from simulation, time steps Rys. 9. Pola ciśnienia na powierzchni elementów formujących w układzie 3D dla wybranych z symulacji komputerowej kroków czasowych Fig. 9. The pressure distribution on the forming elements surfaces, for selected from computer simulation, time steps Analiza pola prędkości (rys. 10) i pola ciśnienia jakie występują wewnątrz formy (rys. 9) daje dodatkowo możliwość zidentyfikowania miejsc szczególnie narażonych na rozwój erozji i kawitacji. 120

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.10. Pole prędkości strugi ciekłego stopu aluminium wewnątrz formy odlewniczej dla wybranego kroku czasowego Fig. 10. The distribution velocity of the molten aluminium flux inside the die for selected time step Dzięki przeprowadzonej analizie symulacji wtrysku - już na etapie projektowym możemy wprowadzić zmiany eliminujące występowanie niekorzystnych zjawisk erozji i kawitacji lub zmniejszyć obszar ich działania. Zmiany w tym obszarze mogą być związane z miejscem usytuowania wlewu, jego geometrią jak i zmianą samego kształtu powierzchni formującej. Zdarza się jednak, że ich wprowadzenie jest niemożliwe, wówczas otrzymane podczas symulacji wyniki mogą sugerować zastosowanie w takich miejscach zabiegów technologicznych związanych z uszlachetnieniem warstwy wierzchniej przeciwdziałających występowaniu niepożądanych wad związanych ze zjawiskiem erozji i kawitacji. Warstwa taka musi być odporna chemicznie w stosunku do aluminium i jego stopów oraz dostatecznie twarda, aby zapewnić odporność na zużycie na gorąco. Wierzchnią warstwę spełniającą te warunki można uzyskać w formach wykonanych z wysokostopowej stali narzędziowej do pracy na gorąco z dodatkowo wytworzoną technologiczną warstwą wierzchnią(tww) (azotowanie regulowane bądź warstwy typu DUPLEX). 121

10 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania i ich analiza upoważniają do wyciągnięcia następujących wniosków: 1. Wykorzystana w pracy symulacja komputerowa daje możliwość analizy charakterystycznych odlewniczych wielkości konstrukcyjnych, miejsc położenia dopływu oraz przelewów w formie, tak aby uzyskać optymalne parametry wtrysku w wyniku których otrzymamy dobry, pozbawiony pęcherzy gazowych, niedolań i nieciągłości odlew. 2. Zastosowanie symulacji komputerowej pozwala na identyfikację w formie miejsc narażonych na kawitację i erozję. 3. Wyznaczone za pomocą metod numerycznych naprężenia od obciążeń cieplnomechanicznych mogą być wykorzystywane jako kryterium doboru technologicznej warstwy wierzchniej (TWW) i traktowane jako wyznacznik w ich dalszych przemysłowych aplikacjach. LITERATURA [1] Gawroński Z., Łukasiewicz R.: "Metoda zwiększenia trwałości matryc form wtryskowych do ciśnieniowego odlewania stopów aluminium. Mechanik nr 12/2002, s [2] Bergstoröm J., Fredriksson D., Johansson M.: The use of tool steels: experience and th research. 6 International Tooling Conference, Karlstad University 2002 [3] Niedźwiedzki Z., Gawroński Z., Łukasiewicz R.: Zmiana ciśnienia wypełniania wnęki formy ciśnieniowej. Archiwum Odlewnictwa PAN. Rocznik 4. Nr 12, (2004) [4] Kula P., Niedźwiedzki Z., Gawroński Z.: Analiza pól temperaturowych hartowanego materiału. Archiwum Odlewnictwa PAN. Rocznik 4. Nr 12, (2004) SUMMARY COMPUTER SIMULATION OF PRESSURE DIE CASTING SIMULATION OF DYNAMIC EFFECT OF DIE MATERIAL The method of determining the dynamic effort of working surface of pressure die during filling it with liquid aluminium alloy and resulting from it the die material effort are discussed. The results and analysis of filling the cavity die process as well as ways of increasing of the service properties of pressure die, are presented in this paper. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Andrzej Białobrzeski 122