ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 WYBRANE ASPEKTY WALIDACJI WYNIKÓW SYMULACJI KRZEPNIĘCIA ODLEWÓW Z.IGNASZAK 1, J.CIESIÓŁKA 2 Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów (1), ul. Piotrowo 3, 61 138 POZNAŃ Odlewnia Żeliwa ŚREM S.A., ul.staszica 1, 63 100 ŚREM STRESZCZENIE Właściwa walidacja wyników symulacji jest warunkiem akceptacji modelu krzepnięcia, baz danych i skutecznej optymalizacji technologii odlewania. Badania nienis z- czące dają komplementarne i istotne informacje dotyczące tego ważnego etapu zwanego virtual prototyping. Procedura ta została przedstawiona na przykładach odlewów przemysłowych. Key words: solidification simulation, model validation, NDT, ultrasonic testing. 1.WPROWADZENIE Niekwestionowanym sposobem umożliwiającym definiowanie jakości odlewów, jej identyfikację i ostateczną ocenę, w oparciu o uogólnione lub indywidualne normy i/lub normatywy, stanowiące odniesienie do jakości wymaganej, rozumianej jako a k- ceptowalny stan wad w odlewie, jest platforma kontroli i badań nieniszczących [1,17]. W odlewnictwie światowym, szczególnie odlewów wielkogabarytowych ze stopów żelaza, obserwuje się szerokie stosowanie metod ultradźwiękowych i zdecydowane odchodzenie od metod radiograficznych. Nowoczesne rozwiązania ap a- raturowe i skuteczność metod kontroli spowodowały, że większość odlewni i ich odbiorcy zaakceptowali warunki odbioru oparte całkowicie o metody UT. Wyjątek stan o- wią niektóre odlewy, zwłaszcza staliwne, gdzie wady podpowierzchniowe i powierzchniowe niewidoczne gołym okiem wykrywa się metodami magnetycznymi. Podobnie też w odniesieniu głównie do powierzchni obrobionych znaczenie metod penetracyjnych nie podlega dyskusji. 1 dr hab. inż. prof. Politechniki Poznańskiej, mail: zenon.ignaszak@put.poznan.pl 2 mg inż., mail: joanna.ciesiolka@oz-srem.com.pl 67
Metody ultradźwiękowe mają zastosowanie także do monitorowania stanu strukt u- ry i poziomu naprężeń, a źródłem sygnału może być również impuls laserowy i jego oddziaływanie na elementy struktury, o określonym stanie naprężeń. To skanowanie (zwane tez tomografią ultradźwiękową) umożliwia pogłębianie studium nad materiałem. Szerzej wykorzystane metody emisji akustycznej mogą dostarczać komplementarnych informacji o przebiegu zjawisk w procesach przetwarzania materiałów [2]. Jednocześnie, wprowadzenie do biur technologicznych odlewni systemów (kodów) symulacyjnych umożliwiło stworzenie nowego połączonego wymiaru dla zagadnień optymalizacji technologii i nowych możliwości wykorzystania wyników kontroli jakości z badań nieniszczących. Zdefiniowane przez odbiorcę kryteria jakości, w funkcji znanych wymagań eksploatacyjnych, w których zawarte są parametry określające stan ścisłości odlewu, parametry jego struktury, parametry mechaniczne, umożliwiają stosowanie rozwiązań technologicznych, optymalnych również pod względem kosztów produkcji. Miejsce i możliwości badań nieniszczących, a szczególnie metod ultradźwiękowych w zakresie identyfikacji parametrów jakości, a nie tylko obecności wad, skorelowane z prognozą virtual prototyping jest przedmiotem postulowanych zwią z- ków jakości wirtualnej (projektowanej) i rzeczywistej, ocenianej po wykonaniu rzeczywistego prototypu odlewu. W artykule wskazano na te powiązania i podano przykłady z praktyki odlewania, ilustrujące konieczność analizy i rozwijania takich procedur. 2. PROGNOZOWANIE JAKOŚCI ODLEWÓW Z ZASTOSOWANIEM SYMULACJI PROCESU ODLEWANIA (VIRTUAL PROTOTYPING) Podczas międzynarodowej konferencji 10 th Conference and Exhibition on VIR- TUAL PROTOTYPING by NUMERICAL SIMULATION EUROPAM 2000, Nantes 2000 (France) w plenarnym referacie otwarcia zacytowano następujące zdanie (źródło: OSAT Study, June 2000) : The explosive increase in use of CAE tools represents a revolution in the vehicleengineering process. Physical prototypes, one might conclude, will become dinosaurs. We predict a 40 percent reduction in the number of prototypes needed by the year 2009... Inżynieria wirtualna (VE Virtual Engineering, CAE Computer Aided Engineering) obejmująca coraz szerzej obszary koncepcji, projektowania, wytwarzania, eksploatacji i recyklingu wyrobów w ogólnie pojętej działalności człowieka. Ma swoje miejsce w technologiach materiałowych, także w odlewnictwie [3,4]. Istotne są powiązania istniejące podczas opracowywania tzw. wirtualnego prototypu (virtual protot y- ping), który jest ważnym etapem weryfikującym jakość i skuteczność opracowania technologii przed podjęciem wytwarzania. Zgodzić się należy, że jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju w obszarze odlewnictwa, szczególnie w zakresie projektowania i sterowania procesami, jest coraz pełniejsze wykorzystywanie modelowania zjawisk i symulacji procesów wytwarzania wysokojakościowych odlewów. Ta optymistyczna wizja możliwości symulacji w służbie inżyniera 68
ARCHIWUM ODLEWNICTWA technologa nie oznacza braku problemów warunkujących ich szerokie stosowanie. Ograniczenia natury ogólnej to: bardzo wysoki koszt systemów (kodów) symulacyjnych i odpowiedniego sprzętu komputerowego, uzależnienie klasy i rozmiaru symulowanych zadań od mocy sprzętu komputerowego (ciągły postęp mikroelektroniki, szybkie starzenie się sprzętu i ciągle niezaspokojone oczekiwania użytkownika), wysoki koszt kreowania nowych procedur symulacyjno optymalizacyjnych i koszt eksperymentalnych badań walidacyjnych (uwiarygodniających). Ograniczenia związane z podstawami teoretycznymi oraz uwarunkowania aplikacyjnymi są dwojakiego rodzaju [4,5]: 1. Problemy związane ze zmianą skali w modelowaniu mechaniki wytężenia materiału odlewu, z możliwie pełnym uwzględnieniem składowych elementów struktury (ziaren) i możliwie pełnym opisem elementarnych mechanizmów ich niszczenia. 2. Niedostateczna znajomość wielkości fizycznych niezbędnych do wprowadzania do modeli i realizowanych na ich podstawie symulacji komputerowych. Dotyczy to wszystkich domen modelowania i wymaga wysiłku eksperyment a- torów. Istnieje zatem konieczność permanentnego uzupełniania, doskonalenia i dopasowywania banków danych do postępu w obszarze formułowania modeli fizycznych [6]. Mimo wskazanych problemów wymagających stopniowego rozwiązywania, w skali światowego odlewnictwa symulacja komputerowa jest postrzegana, jako jedyne tak skuteczne narzędzie optymalizowania technologii odlewania. Narzędzie to kosztowne i wymagające. Operatorem takiego systemu może być osoba przyuczona, przyjmijmy, że nawet znakomita pod względem formalnego opanowania obsługi sprzętu komput e- rowego, umiejętnie wykorzystująca wiedzę instrumentalną. Prawdziwy jednak sukces można osiągnąć dopiero, kiedy wspomaganiem CAD zajmie się specjalista posiadający wiedzę o modelowaniu procesów i podstawach fizycznych zachodzących procesów, potrafiący ją powiązać z wiedzą operatora systemu. To jest warunkiem pełnego powodzenia i najczęściej szybko przynosi wymierne korzyści w postaci dotrzymania terminu i korzyści finansowe. Podobnie przyuczony, nawet z dużym stażem, operator wykonujący kontrolę stosując konkretną metodą nieniszczącą, nie osiągnie klasy kontrolera posiadającego przynajmniej podstawową wiedzę o procesie, o jego potencjalnych anomaliach, powodujących zagrożenia wystąpieniem konkretnych wad. Taki specjalista kontrolując stan jakości, przewiduje lokalizację wad i szuka potwierdzenia lub zaprzeczenia ich obecności w skali całego odlewu. 69
3. JAKOŚĆ ODLEWÓW W UJĘCIU KRYTERIÓW PROGNOZOWANIA W SYSTEMACH SYMULACYJNYCH W oparciu o uzyskane na drodze obliczeń symulacyjnych mapy temperatury dla wybranych chwil czasu, na podstawie numerycznego rozwiązania równań Fouriera Kirchhoffa, stworzono szereg kryteriów prognozujących stan jakości odlewu. Analiza parametrów kryterialnych pozwala zrozumieć przebieg procesu krzepnięcia i zidentyfikować obszary wad w odlewach, dla przyjętych warunków symulacji, adekwatnie do studiowanego przypadku technologii. Wizualizacja wyników symulacji w połączeniu z tymi kryteriami, daje podstawy do prognozowania obszarów zagrożonych wadami. Większość z nich dotyczy problemów zasilania odlewu podczas krzepnięcia i uwzglę d- nia procesy skurczowe, podstawową przyczynę wad wewnętrznych, z zasady niemożliwych do naprawy. Najczęściej wnioskuje się na podstawie wyników przedstawianych w objętości odlewu podzielonej na elementy (objętości) skończone (w tym opcja tzw. X ray) lub/i na jego przekrojach na przykład jako [7,8,9] : izolinie (powierzchnie) temperatur, np. izolikwidusy, izosolidusy, izolinie(powierzchnie) tzw. ułamków fazy stałej, w tym ułamków krytycznych, izolinie(powierzchnie) całkowitych czasów krzepnięcia tzw. izochrony, izolinie (powierzchnie) szybkości stygnięcia i szybkości ruchu izotermy solidusu. Można także skorzystać, jeżeli użytkownik oczekuje szybkiej odpowiedzi lub jeżeli nie czuje się na siłach, aby dokładnie analizować proces, z podpowiedzi zawartej w got o- wym kryterium jakości będącym wprost wskaźnikiem porowatości skurczowej (poros i- ty, shirnkage defects) lub współczynnikiem skuteczności zasilania (feeding, shrinkage), w zależności od rodzaju kodu symulacyjnego. W tym przypadku użytkownik nie zna algorytmu, którego autorami są twórcy oprogramowania, a więc zdany jest na założenie słuszności przyjętych tam szczegółowych rozwiązań. Ponadto twórcy kodów zmieniają w kolejnych wersjach algorytm tej interpretacji wad, co może prowadzić do nieporozumień i wymaga śledzenia i porównywania ze skatalogowanymi wynikami obliczeń zrealizowanych w przeszłości dla innych naszych odlewów. Oczekuje się, aby ten rodzaj bezpośredniego wskazania miejsca wystąpienia wady typu skurczowego i wskazanie jej intensywności znalazł potwierdzenie w badaniach ultradźwiękowych. Obie metody: prognozująca i kontrolna charakteryzują się pewnym marginesem niepewności. Biorąc pod uwagę metody prognozowania, pogłębienie analizy wyników symulacji prowadzi do pełniejszego zrozumienia zjawisk i uściślenia prognozy wad. Tych możliwości upatruje się w gradiencie temperatury, w tzw. gradiencie czasowym, w kryterium Niyamy (gradient zmodyfikowany) i w gradiencie podwójnie zmodyfikowanym [7,10,11]. Nowe ujęcie interpretacyjne i nowe podejście do granicznych wartości gradientu zmodyfikowanego, rozwinięto w pracy [12]. W trakcie symulacji procesu, źródłem niejednoznaczności w prognozowaniu p o- rowatości odlewów są założenia związane ze sposobem dyskretyzacji przestrzeni odlewu. Omówiono to w pracy [13], przedstawiając przyczyny otrzymywania zróżnicowanych wartości gradientowych parametrów kryterialnych. Na podstawie tychże samych spreparowanych temperaturowych wyników symulacji procedury systemów symulacyjnych pomagają przewidywać lokalnie strukturę (nie- 70
ARCHIWUM ODLEWNICTWA które systemy stosują tzw. mikromodelowanie [11] czyli modelowanie zarodkowania i wzrostu kryształów) i właściwości mechaniczne (twardość, wytrzymałość, wydłużenie). W systemach symulacyjnych, które zawierają moduły termomechaniczne możliwe jest prognozowanie stanu naprężeń i odkształceń. Jak wiadomo i te informacje o strukturze, jej elementach składowych, o właściwościach mechanicznych, o naprężeniach mogą pochodzić z właściwej interpretacji sygn a- łu ultradźwiękowego, będącego swoistą odpowiedzią materiału i jego stanu. 4. BADANIA NIENIS ZCZĄCE W WALIDACJI MODELU SYMULACJI Szczególne miejsce badania nieniszczących w powiązaniu z potrzebami ilościowego szacowania jakości produkcji jest powszechnie uznane. Trudno sobie wyobrazić odbiór odlewów bez zdefiniowanych progów wad dopuszczalnych dla poszczególnych stref (por. przykład warunków odbioru w rozdz.6). Korelacja informacji o lokalizacji i natężeniu wad z prognozami systemu symulacyjnego powinna być przedmiotem szczególnej troski. Powiązania te przedstawiono na rys.1. Niektórzy te informacje (źródło II grupy) uważają jako podstawowe, służące walidacji modelu symulacji. Problem ten rozwinięto w [5]. Brak ciągłości materiału w rozumieniu jego obniżonej ścisłości [15] wskazywany w prognozach symulacyjnych, jest relatywnie łatwy do potwierdzenia metodami UT podczas kontroli rzeczywistego odlewu. Nie zawsze jednak należy oczekiwać ewiden t- nej korelacji między prognozą wad skurczowych a tymi nieciągłościami wykrytymi przez UT. Zgodności można oczekiwać jedynie dla wad pochodzenia skurczowego, związanych bezpośrednio (wady skupione lub rozproszone porowatości skurczowe) lub pośrednio (rozerwania pęknięcia międzydendrytyczne) z istnieniem skurczu zasilania czyli skurczu przegrzania i krzepnięcia. Inne wady typu brak ciągłości np. pochodzenia gazowego nie są przedmiotem modelowania i nie mogą być prognozowane. Nie oznacza to, że analizując pola temperatur, pola ciśnień, pola prędkości należy à priori odstąpić od wiązania ich ze stanem wykrytych wad. Należy wykazać tutaj jednak dużą ostrożność. Biorąc pod uwagę inne informacje pochodzące z badań ultradźwiękowych (szybkość fali, tłumienie sygnału echa dna, porównanie informacji pochodzących z różnych głowic) można odnosić te parametry do prognozowanych i/lub rzeczywistych struktur i cech materiałowych. Może to oczywiście także być elementem walidacji procedur prognozujących systemów symulacyjnych. Zagadnienia te nie są omawiane w tym art y- kule. 71
ź r ó d ł a II grupy ź r ó d ł a I grupy PRE- ODLEWANIE KRZEPNIĘCIE SUROWY OBROBIONY PROCESSING (w ypełnianie formy) I STYGNIĘCIE ODLEW ODLEW Model procesu Analiza (1) termo mechaniczna ukł. O-F Analiza (2) termo mechaniczna ukł. O-F Kontrola Nieniszcz, Kontrola Niszcząca Kontrola Nieniszcz, Kontrola Niszcząca bazy danych materiałowych czasy zalewania (całkow ity, cząstkowe) krzywe stygnięcia odlewu i nagrzewania formy geometria dynamika wypełniania pola temperatury układu podział (mesh) w ady zewnętrzne w ady w ewnętrzne : - zidentyfikowane struktura w ybrane temperatury emisja akustyczna - niezidentyfikowane inne w ady odkryte podczas skrawania tw ardość anomalie procesu naprężenia struktura naprężenia ciśnienia metalu i gazów zmiany dylatacyjne zmiany dylatacyjne układu tw ardość naprężenia w łaściwości mechaniczne (w czasie rzeczywistym) (w czasie rzeczywistym) (w czasie poza procesem) (w czasie poza procesem) Rys. 1 Miejsce kontroli jakości odlewów na schemacie walidacji modelu procesu odlewania. Źródła i przepływ informacji o procesie odlewania. 72
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 5. PRAKTYCZNE ASPEKTY METOD UT W BADANIACH ODLEWÓW ŻE- LIWNYCH. W praktyce badań ultradźwiękowych wyróżnia się zasadniczo dwie metody oceny wad. Jeżeli średnica wiązki ultradźwiękowej jest mniejs za od najmniejszego wymiaru wady to wykonuje się punktowania obrysu wady i określa jej powierzchnię stosując umowne kryteria dotyczące wysokości sygnału na granicy wady. Jeżeli średnica wiązki ultradźwiękowej jest większa niż największy wymiar wady to porównuje się największą amplitudę echa odbitego od wady z amplitudą echa odbitego od sztucznej wady porównawczej położonej na tej samej głębokości. Należy pamiętać przy tym, że echo odbite od małej wady rzeczywistej jest najczęściej mniejsze niż echo odbite od wady sztucznej o tej samej wielkości. Spowodowane to jest np. stanem ro z- winięcia powierzchni wady rzeczywistej lub/i nie prostopadłym padaniem wiązki ultradźwiękowej na jej powierzchnię. Ponadto jak wiadomo, fala ultradźwiękowa podlega tłumieniu w każdym materiale zależnie od jego natury, gęstości i stanu struktury oraz postaci jej faz składowych. W przypadku odlewu, nawet jeżeli jego materiał nie wykazuje wad skupionych, co oznacza jego ścisłość w skali makroskopowej [14], w zależności od lokalnych warunków krzepnięcia można zidentyfikować znaczące różnice tłumienia fali. Znane i powszechnie stosowane jest na przykład odnoszenie prędkości fali dla konkretnego odlewu do jego strefy brzegowej czyli krzepnącej z większą szybkością w stosunku do reszty odlewu jako najzdrowszej. Jeżeli fala ultradźwiękowa dodatkowo przechodzi przez większe grubości odlewu to występujący duży stopień tłumienia powoduje wystąpienie niebezpieczeństwa osłabienia echa odbić od naturalnych wad. Szczególnym przypadkiem silnego tłumienia jest żeliwo szare (z grafitem płatkowym). Nowoczesny aparat ultradźwiękowy USN 52 (f my Krautkrämer) dzięki swoim funkcjom i parametrom, znacznie ułatwia badanie żeliwa. W oparciu o doświadczenia odlewni zachodnich opracowano instrukcje kontroli ultradźwiękowej i wdrożono ich stosowanie w odlewni. Najczęściej do badań żeliwa sferoidalnego stosowane są metody OWR (AVG) odległość - wzmocnienie -rozmiar i metody DAC (CAD) odległość amplituda krzywa. 6. ANALIZA PROGNOZ JAKOŚCI I WYNIKÓW KONTROLI ULTRADŹWIĘKOWEJ. PRZYKŁADY. 6.1. Przykład odlewu korpusu z żeliwa sferoidalnego Na rysunkach 2 do 5 przedstawiono sekwencję ilustrującą przykład ciężkiego odlewu korpusu z żeliwa sferoidalnego (40015). Ten odpowiedzialny odlew wymagał szczególnie pieczołowitego opracowania technologii, z uwzględnieniem sterowania krzepnięciem z zastosowaniem ochładzalników zewnętrznych, w formach piaskowych o odpowiedniej sztywności. Na rys.2 przedstawiono fragment wyników symulacji, z których widać, iż na obszary wystąpienia wad wynikające z nieskutecznego zasilania. Rys.3 wskazuje precyzyjniej wady tego samego pochodzenia w dolnej części korpusu. 73
a. b. F Rys. 2. Fragmenty odlewu korpusu z żeliwa sferoidalnego (ciężar około 12 ton) a wygląd odlewu po dyskretyzacji metodą objętości skończonych; b umiejscowienie wad wg prognozy nieskutecznego zasilania feeding (F) na tle zarysu siatki dyskretyzacji (z rys. a) (obliczenia wykonano przy pomocy systemu Magma, we współpracy z firmą KomOdlew Kraków) Prognoza feeding Rys. 3. Umiejscowienie wad wg prognozy skuteczności zasilania feeding na tle zarysu siatki dyskretyzacji przestrzennej w dolnej części odlewu korpusu (różne przekroje) 74
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 4. Prognoza skuteczności zasilania fragmentu odlewu korpusu w części odpowiadającej wykrytej wadzie typu dross (w środku wady skuteczność zasilenia około 90% kolor niebieski, dół skali, część odpowiednio zasilona kolor biały) (obliczenia wykonano przy pomocy systemu Magma, we współpracy z firmą KomOdlew Kraków) Rys. 5. Szkic roboczy pozycji głowic 2MHz i 1MHz podczas badań strefy dross. A pozycja głowicy w strefie z wyraźnym echem dna, B w strefie z wadą. 75
Rys.5 uściśla obraz wady w rejonie środkowym, potwierdzając jej charakter skurczowy. Badania ultradźwiękowe w rejonie środkowym (rys. 5) pozwoliły na zidentyfikowanie położenia wady poza obszarem osi cieplnej ściany, w jej części górnej. Mimo dużej zgodności lokalizacji powierzchni wad z wynikami symulacji dla tej części odlewu, ze szczegółowego porównania położenia wady na przekroju ścianki nie wynika, aby była ona spowodowana bezpośrednio zjawiskami skurczowymi. Nasze doświadczenie z odlewami o średnich i dużych grubościach ścianek wskazuje raczej na typową wadę zwaną dross (ang.) lub crasses (franc.), spowodowana opóźnioną dekantacją produktów po reakcji sferoidyzacji żeliwa magnezem (głównie kompleksy krzemianów i siarczków magnezu oraz tlenków żelaza). Według tychże doświadczeń łączenie tych wad z problemami zasilania nie znajduje uzasadnienia. Z kolei wady wskazywane przez prognozy dla części dolnej korpusu (rys.3) relatywnie dobrze zgadzają się z wynikami badań ultradźwiękowych. W warunkach odbioru odlewu dopuszczano wady o max. średnicy równoważnej 3 mm. Jednocześnie wykluczono ich odkrycie w miejscach wierceń (przyszłe badania penetracyjne). Na rys.9 pokazano przykład dokładnej analizy położenia wad zidentyfikowanych ultradźwiękowo, w stosunku do położenia wierconych otworów. W tej strefie (dolnej), w której uzyskano dobrą zgodność prognozy symulacyjnej i kontroli UT, ilościowo wyrażona prognozowana skuteczność zasilania (rys. 4) zmienia się od 90 do 100%. Potwierdzona lokalizacja wad jest pierwszym warunkiem kolejnego wnioskowania o zgodności ilościowej i próby prognozowania w kategoriach wymiaru wady równoważnej. Jest to ważne zwłaszcza w kolejnych próbach optymalizacji technologii dla tego samego odlewu i porównywania wad wirtualnych i rzeczywistych. Uogólnienia tego rodzaju procedury porównawczej na inne odlewy musi być poparte bądź dużym zasobem informacji ze skatalogowanych uruchomień podobnych przypadków (symulacja i udokumentowana kontrola jakości odlewu) lub badaniami odlewów próbnych. 6.2. Przykład odlewów wieńców zębatych z żeliwa sferoidalnego Ten rodzaj odlewów często jest przedmiotem badań symulacyjnych w celu prognozowania obecności ewentualnych wad i optymalizacji opracowań technologicznych z udziałem ochładzalników. Na rys. 7 przedstawiono wybrane wyniki symulacji. `Procedury kontroli. Kontrola wizualna, kontrola ultradźwiękową i magnetyczna mogą być wykonywane zarówno przed jak i po obróbce skrawaniem. Odbiorca może żądać, aby dodatkowo końcowa kontrola była prowadzona także metodą penetracyjną. Strefy 1, 2 i 3 (rys. 6) są badana metodą magnetyczną (dopuszczalne wady liniowe max. 3 mm). Kontrola ultradźwiękowa obejmuje strefy 1 i 2. Tej procedurze poświęcimy więcej miejsca. 76
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 6. Schemat stref jakości na przekroju wielkogabarytowego wieńca zębatego z żeliwa sferoidalnego (zakres średnic od kilku do kilkunastu m). Rys. 7. Prognoza wad skurczowych dla odlewu 1/4 wieńca zębatego (technologia z zastosowaniem ochładzalników zewnętrznych). Klamrami oznaczono nadlewy.ws prognozowane wady skurczowe w strefie 2 (poza uzębieniem). Wykorzystano kod symulacyjny NovaSolid (f ma NovaCast).Wynik symulacji wskazuje, że wady powinny być zlokalizowane poza strefą 1, gdzie będzie nacinane uzębienie (z uwzględnieniem ochronnej grubości materiału). 77
Zawiera ona następujące istotne punkty : Wyposażenie aparatura ultradźwiękowa np. f my Krautkrämer (USN 50, US D10, USN 52) f my Sofranel (Epoch 2002), Głowice o średnicy 24 mm, częstotliwości 0,5 do 2 MHz, Kalibracja na wzorcu schodkowym odlanym z żeliwa sferoidalnego (generowanie krzywej DAC, otwory płaskodenne o średnicy 6 mm, wg ASTM A609), przeniesienie między wzorcem a odlewem 80% wysokości ekranu w obu przypadkach, Realizacja przy pomocy głowicy 2MHz, z rejestracją następujących przypadków echo wady ponad krzywą DAC tłumienie sygnału większe niż 90% (dla staliwa 75%) Kryteria akceptacji Strefa 1 : klasa 1 wg ASTM A609 Strefa 2 : klasa 3 wg ASTM A609 lub inne uzgodnione wg specyfikacji odbiorcy. 6.3. Przykład testu odlewu wirnika z żeliwa sferoidalnego Poniższy przykład dotyczy etapu produkcji po wykonaniu pierwszego odlewu, którego technologię optymalizowano przy pomocy systemu symulacyjnego Magma [16]. Strefa B Strefa A Rys.8. Odlew wirnika z żeliwa sferoidalnego. Badanie przy pomocy USN 52.Strefy A i B oznaczają wykryte miejsca wad wewnętrznych, przypuszczalnie pochodzenia skurczowego. 78
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 9. Prognoza wad skurczowych (skuteczność zasilania feeding ) odlewu wirnika [16]. Przedstawiony na rys.9 widok miejsc, gdzie przewidywane były problemy w zas i- laniu, wskazuje na równomierne obwodowe rozłożenie wad. Maksymalna porowatość zgodnie z tą prognozą nie powinna przekroczyć 6%. Oczekiwano zatem, że wady przy takim rozłożeniu nie przekroczą średnicy równoważnej 6 mm (wymóg odbiorcy). Strefy A i B, wyróżnione na rys.8, nie potwierdzają równomiernego rozłożenia wad na obwodzie. Ponadto w tych strefach stwierdzono, że wielkość wad równoważnych przekracza znacznie wartość dopuszczalną. Fakt lokalności wad potwierdzono prześwietlając odlew przy pomocy betatronu. Prototyp ten został poddany więc badaniom niszczącym. Chodziło głównie o porównanie wady odkrytej przez frezowanie z wynikiem badań ultradźwiękowych średnicą wady równoważnej [18]. Odkryto rzeczywiście, że lokalne wady (A i B) mają zdecydowanie charakter wad sku r- czowych (ewidentna obecność dendrytów we wnętrzu wad). Ich wymiar równoważny odpowiednio : 9 i 17 mm stanowi podstawę do odniesienia : średnica równoważna faktyczny obraz wady. Potwierdzono w ten sposób prawidłowość decyzji o niespełnieniu przez odlew wymagań jakościowych na podstawie wskazań USN 52. Przypadek powyższy należy wyjaśnić dodatkowo. Prognoza z symulacji (virtual prototyping) nie wskazywała na tendencję do wystąpienia wady o takim natężeniu i skupieniu. Podczas wypełniania formy musiało nastąpić silne przegrzanie tej części odlewu (strefa A i B znajdują się po tej samej stronie). Takie silne przegrzanie nie wystąpiło, gdy oceniano wyniki mapy temperatury po symulacji wypełnienia wnęki formy. Mimo to uznano, że opracowanie technologiczne należy optymalizować, 79
aby wykluczyć możliwość niekontrolowanego zaistnienia warunków prowadzących do lokalnego przegrzania fragmentu formy. Zwiększono ilość ochładzalników, uwzględniając między innymi wytyczne zawarte w [19]. 7. PODSUMOWANIE Obie przedstawione metody oceny jakości odlewu : prognozowanie przez wykonanie wirtualnego prototypu oraz kontrola stanu jakości prototypu rzeczywistego metodami ultradźwiękowymi, są szeroko stosowane w światowym przemyśle odlewn i- czym. W obszarze interpretacyjnym, prognozy dokonywane na bazie każdej z tych dwóch metod należy łączyć ze zdefiniowaniem marginesu niepewności. Dokładność metod symulacyjnych zależy od czynników obiektywnych i subie k- tywnych (najważniejsze z nich wskazano w treści artykułu). Metody ultradźwiękowej kontroli jakości (powtarzalności i jednoznaczności interpretacyjnej sygnału) są wrażliwe na błędy metodyczne operatora, rodzaj i klasę sprzętu. Obie metody wymagają d u- żego operacyjnego doświadczenia użytkowników i wiedzy o procesie technologicznym. Opisane metody stały się standardem, każda w swoim zakresie stosowania. Ich komplementarność nie podlega dyskusji. Niepodważalną role pełnią one także (niektóre ośrodki uważają, że głównie [19]) w zakresie edukacji technologicznej specjalistów technologów i kontrolerów. Ustawiczne katalogowanie wyników prognoz symulacyjnych zestawionych z wynikami kontroli ultradźwiękowej odlewów umożliwi pogłębienie analizy i uogólnienie wyników porównań w celu ułatwienia prognozowania virtual prototyping bezpośre d- nio w kategoriach spodziewanych wskazań z metody UT. LITERATURA [1] Julian DEPUTAT Nowe osiągnięcia ultradźwiękowych badań materiałów. Bad a- nia Nieniszczące, nr 3 4, 1995. [2] Zenon IGNASZAK, Maria GOLEC, Zdzisław GOLEC The comparison of methods of non ferrous alloys solidification testing by means of thermal analysis and acoustic emission. Archives of Metallurgy, vol.43, 1998, no4, pp.329 340. [3] Giles POMMIER, Andre PINEAU, Gerard LESOULT: Matériaux métalliques. [w:] Instantanés Techniques ; Revue trimestrielle de Techniques de l ingénieur, juin 1996. [4] Zenon IGNASZAK Tendencje rozwojowe w odlewnictwie u progu XXI wieku. Przegląd Odlewnictwa nr 9, 2000 (numer z okazji Polskiego Kongresu Odlewnictwa), [5] Zenon IGNASZAK Aplikacyjne uwarunkowania rozwoju modelowania i symul a- cji procesów odlewania. Proceedings Konferencji sprawozdawczej Komitetu Hutnictwa PAN, Krynica, 23 24.09.1998. 80
ARCHIWUM ODLEWNICTWA [6] Zenon IGNASZAK Simulation model sensivity to quality of material properties. Solidification of Metals and Alloys, 1999, vol.1, Book no 40, [7] Zenon IGNASZAK, Adam Baranowski - Studium porównawcze kryteriów zasilania odlewów. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 18, wyd.pan, Oddz.Katowice, 1993. [8] Zenon IGNASZAK - Symulacja krzepnięcia i zasilania. Stosowanie programów symulacyjnych we francuskich centrach badawczych i odlewniach. Krzepniecie Metali i Stopów, nr 18, wyd.pan, Oddz.Katowice, 1993. [9] Zenon IGNASZAK, Piotr Wołujewicz - Analiza możliwosci identyfikacji porowatości skurczowych w odlewach ze stopów aluminium. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Oddz. PAN w Poznaniu, z.13, Poznań 1994. [10] Jean Baptiste PRUNIER, Zenon IGNASZAK Simulation de remplissage et de solidification. Optimisation d une traverse de bien d équipement en EN GJS 500 7, en collaboration avec le client, par simulation de remplissage et de solidific a- tion. Hommes et Fonderie, no 296, septembre 1999. [11] Zenon IGNASZAK, Nicolas HUEBER Simulation codes industrial application problems. Referat i publikacja CD na V th International Symposium MODELING OF CASTING AND FOUNDRY PROCESSES. 26 27.10.2000 Ostrowieczno Śrem Poznań. [12] Zenon IGNASZAK i inni - Niekonwencjonalna metoda doskonalenia ścisłości odlewów z identyfikacją i weryfikacją procesów zasilania i krzepnięcia na drodze symulacyjno-eksperymentalnej. Proj.bad KBN 7 T08B 024 09. Archiwum prac Zakładu Odlewnictwa PP, Poznań 1997. [13] Zenon IGNASZAK, Piotr MIKOŁAJCZAK Chosen aspects of gradient criteria correlation with shrinkage defects in post-processing procedure of simulation code. 10 th Conference and Exhibition on VIRTUAL PROTOTYPING by NUMERICAL SIMULATION EUROPAM 2000, Nantes 2000. [14] Zenon IGNASZAK, Mieczysław HAJKOWSKI - Ścisłość i struktura krzepnięcia odlewów ze staliwa niskostopowego. [w] Krzepnięcie metali i stopów, nr 33, wyd. PAN Katowice 1997. [15] Zenon IGNASZAK Identyfikacja oddziaływania ochładzalników na krzepnięcie odlewów staliwnych. Solidification of Metals and Alloys, 2000, vol.2, Book no 41 [16] Bogusław MAREK, Bogdan BESZTERDA Solidification simulation of rotor housing casting. Attempt of technology optimisation. Referat i publikacja CD V th International Symposium MODELING OF CASTING AND FOUNDRY PRO- CESSES. 26 27.10.2000 Ostrowieczno Śrem Poznań. [17] Joanna CIESIÓŁKA, Zenon IGNASZAK Ultrasonic tests control in aspect to prevision of casting quality. Referat i publikacja CD V th International Symposium MODELING OF CASTING AND FOUNDRY PROCESSES. 26 27.10.2000 Ostrowieczno Śrem Poznań. [18] Zenon IGNASZAK Krzepnięcie i zasilanie odlewów z żeliwa sferoidalnego. Przegląd Odlewnictwa, nr 9, 1996. 81
[19] Philippe THEVOZ Informacja prywatna dot. kodu PROCast. CALCOM. Lausanne 2000. SUMMARY CHOSEN ASPECTS OF VALIDATION OF SOLIDIFICATION SIMULATION RESULTS The adequate validation of the simulation results is the acceptance condition of solidification model, material data base and effective technology optimisation. Non destructive tests give the complementary and the essential information concerning this important stage called virtual prototyping. This procedure is presented by the examples of indu s- trial castings. Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 82