Komputerowe programy wspomagające projektowanie procesów odlewania w formach metalowych Krzysztof Błaszkowski, Marcin Perzyk

Transkrypt

1 11 Solidification of Metais and AlloyŚ Krzepniecie MetaU i Stop6w, 16 PL ISSN Komputerowe programy wspomagające projektowanie procesów odlewania w formach metalowych Krzysztof Błaszkowski, Marcin Perzyk Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Bezwiórowych, Politechnika Warszawska, Polska STRESZCZENIE W latach autorzy niniejszej pracy stworzyli kompleksowy program komputerowego wspomagania projektowania procesu wytwarzania odlewów w formach piaskowych [1,2,3,4,] wykorzystywany z powodzeniem w praktyce odlewniczej, a wobec znacznego zaint~resowania tym programem poza Polską, tłumaczony obecnie na języki angielski i rosyjski. Ponizej przedstawiono zarys, w części już opracowanych, dwóch programów wspomagających w formach ciśnieniowych. projektowanie procesów odlewania w kokilach i ZAŁOZENIA WSTĘPNE I ELEMENTY SKŁADOWE PROGRAMÓW Jak wiadomo, pełny proces odlewania obejmuje szereg elementów, z których nie wszystkie nadają się do zaprogramowania i wspomagania komputerowego. Jako kryteria wyboru elementów procesu odlewniczego w aspekcie mozliwości i celowości komputeryzacji projektowania procesu przyjęliśmy: a) pracochłonność lub częstotliwość projektowania w zakresie wykonywanym tradycyjnymi sposobami projektowania,

2 12 b) pracochłonność projektowania elementów procesu pomijanych dotychczas a niezbędnych w celu podniesienia jakości odlewów lub obni~enia kosztów produkcji, c) charakter prac projektowych - obliczenia, symulacja czy rysunki, d) liczba danych wprowadzanych przez projektującego (pracochłonność korzystania z programu) w stosunku do pracochłonności samych obliczeń, e) jednoznaczność lub niejednoznaczność kryteriów wyboru wariantu projektu i konieczność wykorzystywania elementu intuicyjnego w opracowywanym fragmencie projektu procesu, f) możliwość i celowość wdrożenia w warunkach produkcji przemysłowej bez- dodatkowych, indywidualnych prac badawczych, analiz statystycznych i konieczności indywidualizacji programów lub ich znacznych fragmentów. Przyjmując powyższe założenia za punkt wyjścia, podjęto prace nad opracowaniem dwóch, niezależnych od siebie, choć w części zazębiających się, komputerowych programów wspomagających projektowanie procesu i wybranych elementów oprzyrządowania do wytwarzania odlewów w formach kokilowych i ciśnieniowych. Na rys. l liniami grubymi oznaczono gotowe lub prawie gotowe (wymagające przetestowania) fragmenty programów, a liliniami cienkimi te podprogramy, które zostaną ukończone w tym lub najdalej w przysz ym roku. Nadmienić warto, że gotowe już elementy obu programów mogą być natychmiast wdrożone do praktyki odlewniczej jako samodzielne programy, a niektóre z nich, zamówione przez kontrachentów zagranicznych, tłumaczone są na języki angielski i niemiecki. W dalszej części omówione zostaną niektóre cechy charakterystyczne i możliwości opracowanych programów w projektowaniu procesów odlewania w kokilach i w formach ciśnieniowych.

3 13 11 KOMPUTEROWY PROGRAM WSPOMAGAJĄCY PROJEKTOWANIE PROCESU ODLEWANIA W FORMACH: l KOKILOWYCH l l 11 li CIŚNIENIOWYCH 11 r- obliczanie i kształtowanie układów wlewowych obliczanie i kształtowa-lnie układów wlewowych obliczanie i kształtowa -- nie układów zasilających (projektowanie nadlewów) -- ocena stabilizacji cieplnej kokili ~ projektowanie układów chłodzenia kokil projektowanie i optymalizacja rozmieszczenia - kanałów chłodzących w formie ciśnieniowej Hprojektowanie lokalnych ochladzalników obliczanie siły wyciąga -- nia rdzeni z odlewu i usuwania odlewu z kokili obliczanie minimalnej powierzchni wypychaczy obliczanie siły wyciągania rdzeni z odlewu i l usuwania odlewu z formy obliczanie minimalnej t- powierzchni wypychaczy obliczenia wytrzymałościowe elementów form ciśnieniowych t- Rys. 1. Elementy składowe programów wspomagających projektowanie procesów wytwarzania odlewów w formach metalowych (liniami grubymi oznaczono gotowe lub częściowo gotowe elementy programów)

4 14 GOTOWE ELEMENTY SKŁADOWE PROGRAMÓW Obliczanie i kształtowanie układów wlewowych Niezależnie od technologii odlewania i rodzaju odlewanego stopu, projektowanie układu wlewowego przebiega w dwóch etapach: w pierwszym określenie optymalnego czasu zalewania stopu i wartości minimalnego przekroju układu wlewowego; w drugim - kształtowanie systemu kanałów układu wlewowego w taki sposób, aby zachować obliczony czas zapełniania formy oraz spełnić pewne dodatkowe wymagania, dotyczące samego przepływu ciekłego metalu. Uwzględniając zasadniczo odmienny sposób rozwiązywania zadania w obu wyróżnionych etapach, w prezentowanych programach wspomagających obliczanie układu wlewowego dla kokil i form ciśnieniowych wydzielono dwa, jakby niezależne, podprogramy, które wspomagają obliczanie i optymalizację podstawowych parametrów układu wlewowego oraz kształtowanie elementów układu wlewowego. Końcowym efektem obliczeń jest wydruk zwymiar owanych kształtów elementów układu wlewowego. Program wspomagający projektowanie kokil stwarza możliwość obliczania i kształtowania układów wlewowych dla stopów Al i Mg oraz dla żeliwa, mosiądzu i czystej miedzi. z uwagi na. znaną z praktyki przemysłowej trudność określenia prawdopodobnej masy oqliczanego przecież układu wlewowego, do programu wprowadzono stosunkowo dokladnie określone (na podstawie długotrwałych obliczeń symulacyjnych) współczynniki korekcyjne, a program obliczeniowy zbudowano jako wewnętrznie sprzężoną pętlę obliczeniową automatycznie korygującą w kolejnych obliczeniach rzeczywistą masę układu wlewowego, a w konsekwencji - zbliżone do optymalnych - obliczany czas zalewania i minimalny przekrój układu wlewowego.

5 15 Program wspomagający projektowanie form ciśnieniowych umożliwia obliczanie i kasztaltowanie układów wlewowych dla odlewów ze stopów Al, Mg, Zn, Sn, Pb oraz z mosiądzu, przy odlewaniu w maszynach z gorącą albo zimną pionową lub poziomą komorą, a jego uniwersalność polega na możliwości dokonania obliczeń jedną z trzech metod najbardziej zbliżonych do optymalnych tj.: metodami Ambosa, Fromera lub Bielepuchowa oraz dodatkowo - jako średnią arytmetyczną z tych trzech metod. w zależności od wprowadzonych danych, program albo sam wybiera optymalną metodę liczenia, albo pozostawia pełny lub ograniczony wybór projektującemu. Efektem końcowym pracy programu są powierzchnia przekroju szczeliny wlewowej oraz wymiary i kształty wszystkich elementów układu wlewowego (rys. 2}. Ocena stabilizacji cieplnej kokili Program ten, uwzględniając blisko trzydzieśc i wartości liczbowych (ciepło właściwe tworzywa odlewu i kokili, współczynnik przewodzenia tworzywa odlewu, kokili i pokryć ochronnych itp.), wykorzystując układ równań różniczkowych zwyczajnych opartych zasadniczo na założeniach sformułowanych przez Wiejnika, umożliwia prostą symulację wymiany ciepła między odlewem, kokilą a otoczeniem oraz na wariantowanie doboru takich parametrów procesu jak grubość i rodzaj pokryć kokilowych, wielkość powierzchni chłodzących kokili, czas trwania cyklu, wymagana intensywność sztucznego chłodzenia, rdzeni metalowych, temperatura usunięcia parametry konstrukcyjne formy kokilowej. czas usunięcia odlewu z formy oraz Szczególnie istotna jest w tym programie możliwość uwzględnienia sztucznego chłodzenia kokili, a także powiększania się oporu cieplnego, na granicy odlew - forma wskutek skurczu

6 16 : TWOIV PRZE1..SI ORAZ KAtA. ODPIJIIETRZAJACV PIIJI(IOłANV PRZEZ Filut: Btlł.ER...)::\ PRZ't1<1..A1X1E imiiarv PRZE1..EIIIIł o... f- T l\ V : l D 1- :o o L ~;; --- '~ 1'1 A Z B Z ~~...,; R :s: {.., _t -! m :. ""'""'l ~"i ~,l' c l.z l ~ oj- -- D ~~ " E F 5 ~ EJUER - nastepna strona F lo - glowne "enu ESC - powrot do poprzedniej strony PrtSc+Fl -druk F2 - obliczenie WYtliarow przelew dla dowolnej wartosci T Rys. 2. Fragment wyników programu kształtowania elementów układu wlewowego w formach ciśnieniowych: kształt i wymiary przelewu i kanału odpowietrzającego z mozliwością obliczenia wymiary przelewu dla dowolnej wartości wymiaru T odlewu. Wyniki prezentowane są w wielu (liczbowo i graficznie) wariantach: zalezności średniej temperatury odlewu i kokili od czasu, początkowej temperatury kokili, czasu trwania cyklu odlewania oraz dodatkowej mocy chłodzenia potrzebnej do ustalenia i utrzymania Ządanej temperatury kokili przed zalaniem, na ustalonym poziomie, w funkcji numery cyklu.

7 17 Wyniki mogą być wykorzystane dla projektowania kokil, doboru parametrów procesu technologicznego oraz analizy wydajności procesu. Projektowanie ukladów chłodzenia kokil Program jest praktycznym narzędziem umotliwiającym projektowanie kilku najczęściej stosowanych odmian układów sztucznego chłodzenia kokil, a mianowicie: - chłodzenie nadmuchem powietrza na utebrowaną lub płaską powierzchnię kokili, z utyciem dysz pojedyńczych lub płyt perforowanych, - chłodzenie skrzynią powietrzną, - chłodzenie skrzynię wodną, - chłodzenie kanałami wodnymi wykonanymi w korpusie kokili lub odtwarzanymi przez rurki zalane w specjalnej płycie chłodzącej. W zastosowanych w programie algorytmach wyko~zystano znane intynierskie metody obliczeniowe w zakresie wymiany ciepła, uwzględniające jednak własne badania i doświadczenia autorów dotyczące chłodzenia metalowych form odlewniczych. Program konstruktorów oprzyrządowa jest przeznaczony dla praktyków - nia odlewniczego. Obliczanie sil potrzebnych do usunięcia rdzenia z odlewu i odlewu z formy metalowej (kokili lub formy ciśnieniowej) Katdy z tych programów stanowi zaawansowane narzędzie umotliwiające obliczanie sił oporu typu tarciowego podczas usuwania rdzenia z odlewu lub odlewu z formy w wyniku skurczowego zaciskania się odlewu na rdzeniu lub na występach formy w cza-

8 18 sie stygnięcia. W budowie programu wykorzystano mechaniczny model konstytutywny stworzony przez jednego z autorów i opisany wyczerpująco w innych opracowawaniach. Zastosowane algorytmy umożliwiają obliczanie wartości sil powstających w przypadkach charakterystycznych dla elementów odlewanych: - przy zaciskaniu się odlewu tworzącego otoczkę wokół elementu formy, o praktycznie dowolnym kształcie, - przy hamowaniu skurczu ściany czołowej zamykającej " ś l epy" otwór w odlewie, - przy hamowaniu skurczu segmentu odlewu znajdującego się pomiędzy dwoma występami formy lub rdzeniami. Program składa się z trzech bloków funkcjonalnych: a) wprowadzania i edycji danych, będący obiektowo zorientowanym edytorem dialogowym wyposażonym w liczne pomoce (w najbardziej skomplikowanym przypadku, aby opisać układ w sposób jednoznaczny, należy odpowiedzieć na 65 pytań), b) bloku obliczeń numerycznych, praktycznie niedostępnego dla użytkownika, jednak z wyświetlaniem bieżącego raportu o aktualnej temperaturze odlewu i sile usuwania. c) bloku prezentacji i przetwarzania wyników, umożliwiającego uzyskanie danych liczbowych dla dowolnej chwili stygnięcia odlewu oraz prześledzenie kinetyki powstawania sumarycznej siły koniecznej do usunięcia rdzenia z odlewu lub odlewu z formy i jej poszczególnych składników (rys. 3). FLANOWANE ELEMENTY SKŁADOWE PROGRAMÓW Bliski ukończenia jest program wspomagający optymalne rozmieszczenie kanałów chłodzących w formach ciśnieniowych oparty na symulacji dwuwymiarowego ustalonego przepływu ciepła i wyposażony w oryginalny, prosty, a stosunkowo dokładny edytor

9 i OZMACZEHIA SKLMHIKOW SILV USUWANIA : Od zaciskania sie odlew tuorzacego zanknieta ot oczke na rozpatrywanyn elenencie formy Od hattowania skurczu denka zi!ncajacego otwor nieprzelotqw!l w odlet~ie Od hattowania skurczu czesci odlewu połozonej Hiedzy dany., a inny., elel'lefl łett f o~ PTI t1j R17l lillijj z Ił "O Ił '... ( Ił J J 14 J Ił... m ~~0~~~~~~~~4~00~~~5~~~~~~~~600 Tenperatura odleuu, C Całkowita sila TettPeratura Czas od poczatku usuwania, dah usuwania odlewu, c zalet~ania, sek ó Rys. 3. Zależność siły niezbędnej do usunięcia rdzenia, przy zadanym kształcie odlewu i parametrach procesu odlewania, od temperatury i czasu mierzonego od chwili zalania kształtu wnęki formy i rozmieszczenia kanałów~ Dwa stosunkowo prost e programy umożliwią obliczanie minimalnej powierzchni wypychaczy i elementów konstrukcyjnych form ciśnieniowych. Bardziej złożony, wtrnagający dodatkowych eksperymentalnych prac badwczych, będzie program wspomagający projektowanie ukladów zasilających dla odlewów kokilowych, który zgodnie z naszym założeniem powinien zawierać także segment wspomagający oblicznie modułów stygnięcia dla typowych węzłów odlewów kokilowych, projektowanie prawidłowych, z uwagi na zasilanie

10 20 kształtów elementów odlewanych i, ewentualnie, zasady projektowania sterowanego krzepnięcia kierunkowego. Podobnie złożony, także wymagający prac eksperymentalnych, będzie program wspomagający projektowanie lokalnych ochladzalników kokili. LITERATURA 1. Błaszkowski K., Perzyk M.: Prace Instystutu Technologii Bezwiórowych. ITB PW. Warszawa, Perzyk M., Błaszkowski K.: A parctical approach to computer aided design of feeding systems. Sofia, FOKOMP'88 3. Błaszkowski K., Perzyk M.: Kompleksnaja kompjuternaja programma projektirowanija litejnych sistem. IV Międzynarodowa Konferencja "Kompleksowa Automatyzacja Przemysłu", 1990 Kijów 4. Błaszkowski K., Perzyk M.: Kompleksowy program komputerowego wspomagania projektowania procesu wytwarzania odlewów. Przegląd Mechaniczny, wrzesień 1990 Computer software assisting in designing of metal moulds casting processes In the years present authors developed a complex package of computer prograros assisting in design and central of sand moulds casting processes (1-4], succesfully applied l in foundry practice and, due to increasing interest abroad, currently being translated to English and Russian. In the present paper twe other, partly developed, computer prograros assisting in designing o f die casting dies, are outlined. casting processes in gravi ty and