36/10 Solidi1ication of Metais and Alloys, No.36, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 36, PAN- Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 36/10 Solidi1ication of Metais and Alloys, No.36, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 36, PAN- Oddział Katowice PL ISSN PROJEKTOWANIE ZASILANIA ODLEWÓW Z ŻELIWA SFEROIDALNEGO WSPOMAGANE KO.MPUTEROWO PERZYK Marcin Politechnika Warszawska Instytut T echnołogii Materiałowych ul.narbutta 85, Warszawa Zaprezentowano program komputerowy opracowany w Politechnice Warszawskiej jako aplikacja systemu Design Engine, wspomagający projektowanie układów zasilających dla odlewów z żeliwa sferoidalnego. Omówiono główne trudności w tworl:eniu oprogramowania tego typu. Przedstawiono najistotniejsze elementy składające się na program. w tym wybrane pod&iawy merytoryczne obli czeń. l. WSTĘP Komputerowe wspomaganie prac projektowych w zakresie technologii odlewniczych realizowane jest przy użyciu oprogramowania różnych typów. Omówiono je w pracy [l], zwracając szczególną uwagę ua zakres stosowania i współdziałanie programów symulacyjnych z programami realizującymi tradycyjne obliczenia inżynierskie. Procesy zasilania odlewów z żeliw, w których węgiel wydziela się pod postacią grafitu są szczególnie skomplikowane, co wynika z dwóch elementów. Po pierwsze, zmiany objętościowe stopu podczas krzepnięcia wywołują istotne oddziaływania mechaniczne pomiędzy formą a odlewem, wpływające zasadniczo na proces zasilania odlewu., jednak trudne do modelowania matematycznego. Po drugie, własności żeliwa związane z jego zasilaniem zależą silnie od warunków występujących w danej odlewni i nie mogą być określone bez prób technologicznych na miejscu. Oba te czynniki sprawiają, że dostępne na rynku oprogramowanie, realizujące S}muJację numeryczną krzepnięc ia odlewów, praktycznie nie obejmuje modelowania zjawiska przepływu zasilającego w odlewach żel iwnych. Tym większą rolę w zakresie wspomagania projektowania układów zasilających mają do odegrania programy tradycyjnych

2 80 obliczeń inżynierskich, wykorzystujące wiedzę ekspertów- praktyków, stosujące przy tym stosunkowo złożone metody obliczeniowe, które w obliczeniach 'ręcznych' są na - ogół pomijane. Niniejsza praca przedstawia opracowany w Politechnice Warszawskiej program wspomagaj ący projektowanie szeroko rozumianych układów zasilania odlewów z żeliwa sferoidalnego. Wykorzystuje on aktnajnie uznaną wiedzę ekspertową w tym zakresie, w tym metody obliczeniowe oraz dane liczbowe [2-7]. Przy jego opracowaniu położono nacisk na takie cechy użytkowe, jak wszechstronność, elastyczność oraz łatwość obsługi. l. MERYTORYCZNA ZA W ARTOŚĆ PROGRAMU Ogólne zasady zasilania żeliwa sferoidalnego, opierające się na wyzej cytowanych źródłach oraz własnych pracach niepublikowanych, podano w pracy [8]. W niniej szym rozdziale omówione zostaną jedynie wybrane, istotniejsze aspekty podejścia zastosowanego przez autora przy budowie programu, umożliwiające wstępną ocenę jego wartości Zakres możliwości obuczeniowych W programie uwzględniono wszystkie aktualnie stosowane w praktyce metody zasilania odlewów z żeliwa sferoidalnego wykorzystujące przyrost objętości w wyniku grafityzacji: samozasilanie odlewu (inaczej - zasilanie beznadlewowe [2,3]), zasilanie z pełnym wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji (inaczej - zasilanie bezpośrednie [3]) w dwóch odmianach: przez układ wlewolł)' i przez nadlelł)' (inaczej - zasilanie c iśnieni owe [2]) oraz, najczęściej stosowane, zasilanie ze zredukowanym ciśnieniem (inac~j - zasilanie z kontrolą ciśnienia [3]). Program umożliwia m.in. wybór optymalnej metody zasilania oraz projektowanie nadlewów wszystkich typów stosowanych dla poszczególnych metod. Dla zasilania z pełnym wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji obejmuje ono nadlewy walcowe otwarte i zamknięte atmosferyczne oraz atmosferyczne boczne klasyczne (gruszkowe), zaś dla zasilania ze zredukowanym ciśnieniem - nadlewy boczne klasyczne, górne zamknięte zwykłe i egzotermiczne oraz nadlewy butelkowe. Dodatkowym segmentem programu jest obliczanie modułów niektórych złożonych węzłów cieplnych, w tym uwzględniających lokalne przegrzewanie masy przez ciekłe żeliwo. Niektóre możliwości programu zostaną omówione szerzej w następnych punktach.

3 l.l. Wybór modułu maczącego w odlewie 81 Zastosowano metodę wymaczania modułu maczącego pojęcta wykorzystywanego w metodzie zasilania z pełnym wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji, podaną w pracy [2]. Za moduł znaczący M, można przyjąć moduł segmentu odlewu o najmniejszym module M 0, który spełnia poniższy warunek: (T. -II 5o) ( ) ~ V 1 v. ~ 250. M. J -M.. ~M.' - l (l) gdzie: i jest wskaźnikiem sumowania wszystkich segmentów o objętościach V; i modułach M; większych od segmentu rozważanego n, przy czym segment o największym module posiada indeks l; Tz oznacza temperaturę zalewania. W programie istnieje możliwość uwzględnienia do ośmiu różnych modułów występujących w odlewie, które mogłyby być brane pod uwagę jako kandydujące do modułu znaczącego. istotny dla oszczędnego projektowania Należy podkreślić, że ten typ obliczeń, nadlewów, jest praktycznie niestosowany przy obliczeniach ręcznych z uwagi na swą złożoność Projektowanie nadlewów butelkowych Nadlewy butelkowe zostały zaproponowane przez Heine'a [5] i są zalecane przez wielu ekspertów - praktyków w dziedzinie zasilania odlewów z żeliwa sferoidalnego przy metodzie ze zredukowanym ciśnieniem. Oszczędne projektowanie tego typu nadlewów umożliwia profilowanie ich ścian bocznych w taki sposób, że powierzchnię stożkową zastępuje się powierzchnią wklęsłą (patrz rys. l). Y Rys. l. Wymiary nadlewu butelkowego z krzywoliniową powierzchnią boczną Fig. l. Dimensions of a tapered riser with cwved taper

4 82 Po przek.c;ztałceniach oryginalnego wzoru [5] otrzymuje się: gdzie: d-d.cb-y - g (2) (3) zaś pozostałe oznaczenia objaśniono na rys. l. Oszacowania autora wskazują, że profilowanie ścian nadlewów butelkowych zmniejsza ich objętość o kilkanaście do dwudziestu kilku procent. Porlobnie jak w przypadku wyznaczania modułu znaczącego, obliczenia te nie są praktycznie stosowane przy obliczeniach ręcznych z uwagi na swą złożoność Pro,iektowanie wlewów doprowadzających wykorzystywanych do zasilania W metodzie zasilania z pełnym wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji, w której kompensuje się jedynie skurcz w stanie ciekłym, do zasilania odlewu można wykorzystać metal znajdujący się w układzie wlewowym. W aronkiem jest zaprojektowanie wlewów doprowadzających o dostatecznie dużym module, zapewniającym połączenie odlewu z wlewem głównym aż do chwili rozpoczęcia krzepnięcia odlewu i towarzyszącego mu wzrostu objętości. W praktyce warunek ten może stać w sprzeczności z wymaganiami odnośnie pola przekroju poprzecznego tych wlewów, istotnego z punktu widzenia prawidłowego czasu zalania formy. W programie uwzględniono możliwość wyliczenia poprawnych wymiarów wlewów doprowadzających z jednoczesnym spełnieniem obu warunków oraz ich wielowariantowe wymiarowanie dla potrzeb zasilania Obliczanie optymalnych wymiarów nadlewów na podstawie modułu i objętości Przy projektowaniu nadlewów istotne są przeważnie dwa jego parametry: czas krzepnięcia (moduł) i objętość, przy czym zazwyczaj wymiary dobiera z pierwszego warunku i ewentualnie koryguje na podstawie drugiego. Przy stosowaniu nadlewów bocznych, w których często tylko część położona jest powyżej najwyższego punktu wnęki formy odtwarzającej kształt odlewu, korzystne jest zastosowanie zamiast klasycznych nadlewów gruszkowych, o typowych proporcjach wymiarowych, nadlewów walcowych (dla metody z pełnym ciśnieniem grafityzacji) albo butelkowych (dla inetody zez zredukowanym ciśnieniem), o stosunkowo swobodnie kształtowanych wymiarach. Oszczędne projektowanie nadlewu wymaga jednoczesnego spełnienia dwóch równań odpowiadaj ących obu wspomnianym warunkom, co prowadzi do konieczności rozwiązania równania trzeciego stopnia. Program umożliwia realizację takich właśnie obliczeń, podczas gdy obliczenia ręczne zazwyczaj ograniczają się do korekty wysokości nadlewu, co może prowadzić do niepotrzebnego zwiększenia jego objętości.

5 Uwzględnienie własoośd materiałów wysłfpujących w danej odlewni Projektowanie zasilania odlewów z żeliwa sferoidalnego wymaga znajomości własności dwóch typów materiałów: samego żeliwa oraz formy. Własności formy są sprawą stosunkowo prostą. Przy obliczeniach opierających się na wiedzy empirycznej forma charakteryzuje się sztywnością lub wytrzymałością, Formy, które nie odkształcają się łatwo plastycznie przy wzroście ciśnienia we wnęce wskutek grafityzacji nazywane są sztywnymi lub wytrzymałymi. Ponieważ nie ma opracowanych przemysłowych metod pomiaru tej cechy form, w praktyce określa się ją nie jako wielkość liczbową, lecz na ogół opisowo. W Tablicy l zestawiono oceny sztywności form piaskowych wykonanych różnymi metodami, przyjęte w programie na podstawie analizy wielu źródeł.. Oceny powyżej 'bardzo niskiej' podano przy założeniu, że połówki formy są mocno połączone ze sobą przy pomocy klamer (obciążanie górnej powierzchni formy nie jest wystarczające). Tablica l Sztywność form odlewniczych r~~ wana przy grafityzacji żeliwa sferoidaln~o Typformy Sztywność Masa bentonitowa wilgotna prasowana niskimi naciskami (ooniżei 0.15 MPa) Masa bentonitowa wilgotna, prasowana wysokimi nac iskami (r- \VV"'Y.cA;;J... o 6 MP a l) Masa bentonitowa wilgotna, fonnowanie ręczne lub na w Masa bentonitowa - forma suszona Masy ze spoiwem chemiemym bez ubijania Masy ze spoiwem chemiemym dobrze ubite Masa cementowa Masa ze szkłem wodnym utwardzana C02 Formy skorupowe bardzo niska średnia bardzo niska wysoka niska wysoka bardzo wysoka średnia niska Właściwości żeliwa decydujące o jego zasilaniu z wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji, określane zwykle wspólną nazwąjakość metalurgiczna, odzwierciedlają wartości zmian objętościowych przy krzepnięciu : wyższa jakość omacza mniejsze zmiany. W odróżnieniu od sztywności formy, jakości metalurgicznej żeliwa na ogół nie da się przewidzieć bez wykonania prób technologicznych w warunkach danej odlewni. Stwarza to trudności w skonstruowaniu wiarygodnej bazy danych materiałowych wykorzystywanej przez program komputerowy. Dotyczy to zwłaszcza

6 84 zasilania z kontrolą ciśnienia, gdzie wymagany moduł nadlewu, zasięg jego działania, a także w pewnym stopniu zapotrzebowanie na określoną objętość metalu zasilającego (objętość nadlewu) zależą od jakości metalurgicmej; ta ostatnia cecha dotyczy oczywiście także zasilania z pełnym wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji. W prezentowanym programie problem ten rozwiązano przez wprowadzenie następujących dwóch elementów: a) Bazę danych wyposażono w kilka 'standardowych' materiałów o różnej jakości metalurgiemej i związanych z nią. najczęściej spotykanych, zależnościach pomiędzy modułem odlewu a modułem nadlewu, zasięgiem działania nadlewu oraz zapotrzebowaniem na metal zasilający~ Na początku użytkowania programu należy sprawdzić, któcy z mateńałów standardowych pasuje najlepiej do żeliwa wytwarzanego w danej odlewni i wybierać ten materiał z bazy danych przy projektowaniu zasilania dla następnych odlewów. b) Jedną z opcji programu jest prowadzenie obliczeń 'Przy niepewnych własnościach żeliwd. W przypadku zasilania ze zredukowanym ciśnieniem skorzystanie z tej opcji powoduje przyjęcie metodyki obliczeń prowadzącej do zaprojektowania nadlewu o typowym kształcie i objętości efektywnej rzędu 3% objętości odlewu, któcy należy traktować jako wyjściowy do prób technologiemych w odlewni. W tym przypadku zakłada się, że o momencie zapoczątkowania przyrostu ciśnienia we wnęce formy decyduje nie zakrzepnięcie połączenia odlewu z nadlewem, ale powtórne wypełnienie się całej objętości nadlewu w wyniku przyrostu objętości stopu. Obliczenia prowadzone w tej wersji dla zasilania z pełnym wykorzystaniem ciśnienia grafityzacji zakładają, że składnik zapotrzebowania na ciekły metal zależny od jakości metalurgiemej żeliwa, obliczany jest dla wartości tego parametru określanej jako 'bardzo niska'. J. REALIZACJA PROGRAMU Prezentowany program zrealizowano jako aplikację systemu narzędziowego opracowanego w Folitechnice Warszawskiej o nazwie Design Engine@>, szczegółowo omówionego w pracy [l]. Zgodnie z cechami, jakie posiadają aplikacje tego pakietu, program umożliwia profesjonalne i wygodne projektowanie i może służyć zarówno technologom zatrudnionym w przemyśle, jak i studentom wyższych uczelni technicmych. Na cys. 2 pokazano kopię przykładowego ekranu z wynilau:iń obliczeń wykonanych przez program.

7 85 PlłOJEI:TOI-JANIE ZASILANIA OOLEWOW Z ZELU~A SfEROIDALNEGO U t:i ~jekt ladanie.qane.qbliczenia!!ote~!j.~ta&.aienia Zasilanie z pełnyid ci4nienieid Qrafityzacji - obliczenia wlewów doprowadzaj~cych wykorzystanych do zasilania ~ r Wymagany moduł przekroju poprzecznego Szeroko~ć Wy~oko~ć ~o~le~o~u dopro~o~adzającego, cm: ~o~le~o~u, mm ~o~le~o~u, mm Minimalne pole przekroju, jakie może ~o~lew dopro~o~adzający, cm mieć !B Pole przekroju ~o~le~o~u, cm UWAGA: Przyj~ta przez użytko~o~nika metoda za~ilania nie je~ t odpo~o~iednia dla ~o~pro~o~adzonego zesta~o~u danych (materiał odle~o~u, formy, moduł odle~o~u ) i może okazać ~~~ nie~kuteczn"! Projekt: l ~~~uch programu Zadanie: Ol Za~ilanie z pełnym ci~nieniem przez ~o~le~o~y Rys. 2. Pxzykładowa kopia ekranu z wynikami obliczeń Fig. 2. Example of a screen copy with results of computations. LITERA TURA [l] Perzyk M., Nowa generacja oprogramowania wspomagającego projektowanie procesów odlewniczych, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1997, z.30, s.l [2] Duetile Iron l. Production. The siate of the art 1992, QIT - Fer et Titane Inc., Canada. [3] Karsay S.I, Duetile Iron m, Gating and Risering, QIT - Fer et Titane Inc., Canada [4] Duetile Iron. The Essential of Gating and Risering Systems Design. Seminar Lecture Notes, QIT- F er et Titane Inc., Canada [5] Heine, R. W., Design Metbod for Tapered Riser Feeding of Duetile Iron Castings in Green Sand, AFS Transactions, Vol. 90 (1982), s

8 86 [ 6) ROdter, H., Methode der SpeiserberechnWtg filr Gu6eisen mit Kogelgraphit Wtter Berilcksichtigoog der Graphitexpansion wałtrend der Erstarrung. Giesserei, Nr 4, [7] lgnaszak, Z., Krzepnięcie i zasilanie odlewów z żeliwa sferoidalnego, Przegląd Odlewnictwa, Nr 9, 1996, s [8] Perzyk, M., Odlewnictwo (skrypt wydany w Politechnice Warszawskiej nakładem Tempus- Phare SJEP ), Warszawa Computer-aided design of feeding systems in duetile iron castings Summary A computer program developed at Warsaw University of Technology as an application of the programming tool named Design Engine@ is presented. Ibe major difficulties in the development of software intended to be an assistance in design of feeding systems in duetile iron castings are discussed. The most important features of the program, including selected essential elements of computations are presented.