Проект выполнен для предприятия металлургической отрасли РФ с целью оптимизации технологии производства отливки «Бандаж» из стали 35Л. Ключевое требование к качеству изделия — полное отсутствие усадочной пористости в теле отливки.

Для достижения цели было выполнено математическое моделирование различных вариантов литниково‑питающей системы (ЛПС) в программном комплексе ESI ProCAST. В ходе работы проанализированы гидродинамика заполнения формы, тепловые процессы кристаллизации и формирование усадочных дефектов. На основании расчётов предложены конструктивные изменения ЛПС, позволяющие минимизировать или полностью исключить дефекты литья. Рассмотрены пять технологических вариантов, отличающихся конфигурацией прибылей, питателей и применением дополнительных элементов (холодильников, экзотермических вставок).

Прочитать всё

ЗАДАЧА

  • выявить места образования усадочных дефектов и причины их появления в отливке «Бандаж»;
  • предложить конструктивные изменения литниково‑питающей системы для ликвидации или минимизации дефектов;
  • обеспечить отсутствие усадочной пористости в теле отливки в соответствии с требованиями заказчика;
  • выполнить математическое моделирование гидродинамических процессов заполнения литейной формы, теплового расчёта кристаллизации и расчёта усадочных дефектов;
  • сравнить несколько альтернативных вариантов технологии литья по критериям качества отливки и выхода годного;
  • на основании результатов моделирования рекомендовать оптимальный вариант технологии, сбалансированный по качеству, технологичности и экономической эффективности;

В качестве исходных параметров для моделирования использовались следующие данные:

  • Материал отливки – сталь 35Л.
  • Материал формы – песчано-глинистая смесь.
  • Начальная температура формы – 20 °С.
  • Начальная температура металла – 1550 °С.
  • Время заполнения формы – 20 сек.

РЕШЕНИЕ

  • построена расчётная модель отливки «Бандаж» в ESI ProCAST; геометрическая модель выполнена по конструкторскому чертежу, сетка модели содержит 83 853 узла и 407 406 элементов;
  • выполнены расчёты по пяти вариантам технологии литья:
    • Вариант 1: базовый вариант с двумя питателями сечением 25×25 мм;
    • Вариант 2: одна прибыль 120×100 мм с противоположной стороны от ЛПС и четыре питателя 25×25 мм;
    • Вариант 3: две прибыли 120×100 мм (со стороны ЛПС и с противоположной стороны) и четыре питателя 25×25 мм;
    • Вариант 4: три прибыли 104×90 мм (по бокам и с противоположной стороны от ЛПС), четыре питателя 25×25 мм, холодильники в виде стального круга по внешнему диаметру отливки (толщина 30 мм, материал — Ст3);
    • Вариант 5: монолитная прибыль по всей окружности с экзотермической вставкой на прибыли;
  • для каждого варианта смоделированы: гидродинамика заполнения формы, тепловой расчёт кристаллизации, расчёт усадочных дефектов;
  • проведён сравнительный анализ вариантов по критериям: наличие и объёмная доля пористости, выход годного литья, сложность последующей механической обработки, трудоёмкость и стоимость реализации;
  • определены преимущества и ограничения каждого варианта, сформирован перечень рекомендаций по выбору оптимальной технологии.

РЕЗУЛЬТАТЫ

  • выявлены зоны вероятного образования усадочных дефектов в отливке «Бандаж» и факторы, влияющие на их формирование (недостаточное питание, неравномерное охлаждение, неоптимальная конфигурация ЛПС);
  • рекомендованы к применению варианты технологии литья 3, 4 и 5 как обеспечивающие минимальный уровень дефектов;
  • Вариант 3 признан наиболее сбалансированным: он демонстрирует высокий выход годного литья; при этом в теле отливки сохраняются включения пористости с объёмной долей пустоты 1–3 % — это допустимо для ряда условий эксплуатации;
  • Вариант 5 показал наилучшие результаты по качеству (минимальная пористость), но характеризуется низким выходом годного из‑за большой прибыльной части, повышенными затратами на экзотермическую вставку и усложнённой механической обработкой отливки;
  • подтверждена эффективность применения ESI ProCAST для прогнозирования дефектов литья и выбора оптимальной конфигурации ЛПС;
  • заказчик получил обоснованные рекомендации по выбору технологии в зависимости от приоритетов: максимальный выход годного (вариант 3) либо максимальное качество при повышенных затратах (вариант 5);
  • результаты моделирования могут быть использованы для корректировки конструкторской и технологической документации, а также для масштабирования подхода на другие типы отливок.

Отрасль

Металлургия

Заказчик

NDA

Используемое ПО