Témata
Reklama

Numerická simulace ve slévárenské technologii

07. 10. 2009

Numerická simulace se již stala uznávaným pomocníkem při analýzách a optimalizacích slévárenské výroby. V rukou technologa se simulační software může stát mocným nástrojem, který mu umožní optimalizovat procesy, zvýšit využití kovu, snížit procento neshodných výrobků a tím zefektivnit výrobu.

Simulace navíc technologa vzdělává a učí ho chápat souvislosti procesu, a tím mu dále napomáhá v jeho odborném růstu. Je ovšem nutné zdůraznit význam jednotlivých pracovníků - technologů -, jelikož pro koncepční rozhodování o technologii se nedají stanovit pevná pravidla a konkrétní řešení je závislé na důvtipu a intuici každého technologa. Dobrý slévárenský technolog zajišťuje implementaci provedených analýz do provozního prostředí a odpovídá za kvalitu a efektivnost každého jednotlivého odlitku.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr 1a: Vizualizace fáze plnění: CAD návrh technologie
Obr 1b: Vizualizace fáze plnění: rozložení teplotního pole na začátku tuhnutí

Použití simulace ve výrobním procesu

Ukažme si na příkladu z oblasti gravitačního lití oceli možnosti, které nám numerická simulace nabízí. Jedním z problémů, se kterým se technolog potýká při návrhu nové technologie, se týká zabránění vzniku slévárenských vad typu staženin a ředin, případně jejich minimalizace nebo přemístění tak, aby byly akceptovatelné. Tento typ vad se vyskytuje u většiny technických slitin a jejich podstata je spojena s úbytkem objemu tzv. stahováním, ke kterému dochází v průběhu ochlazování taveniny a tuhnutí. Nemá-li v odlitku vzniknout staženina, je nutno tento objemový deficit doplnit z dostatečně dimenzovaných nálitků. Technolog se rozhoduje, zda použije nálitky, jakého typu a velikosti a jaké bude jejich rozmístění. Na tyto otázky nám může pomoci odpovědět numerická simulace. První výpočet tuhnutí samotného odlitku (bez nálitků, vtokové soustavy) napoví, jakým způsobem odlitek tuhne, kde dochází ke vzniku tepelných uzlů a kde jsou poslední místa tuhnutí. Tato analýza napomůže při návrhu rozmístění nálitků, případně dalších prvků ovlivňujících tepelné poměry během tuhnutí a chladnutí (chladítka, izolace). Následuje opětovná fáze tzv. preprocesingu, při které technolog připraví návrh velikosti a umístění jednotlivých nálitků, případně dalších částí. Abychom obdrželi přesnější představu o tepelné bilanci řešené soustavy, je vhodné modelovat plnění formy - viz obr. 1. Analýza této části numerického experimentu odpovídá na následující otázky:

  • Je charakter plnění s ohledem na odlévaný typ slitiny vyhovující?
  • Je geometrie a dimenzování jednotlivých částí vtokové soustavy optimální?
  • Dojde k zaplnění celé dutiny, nehrozí vznik studených spojů?
  • Jsou zde kritická místa s ohledem na erozi formy, případně jader?
  • Je navržený vtokový systém vhodný z pohledu obdrženého rozložení teplotního pole?

Výpočet tuhnutí odlitku

Zodpovězení těchto otázek je již prvním krůčkem na cestě ke „zdravému" odlitku. Na výsledky provedených analýz plnění navazuje výpočet tuhnutí, případně chladnutí odlitku (napětí a deformace). Z charakteru teplotního pole během tuhnutí lze sledovat, zda dochází k usměrněnému tuhnutí a zda nálitky jsou tepelně i objemově dostatečné. Z postupu fronty tuhnutí s případným použitím speciálních kriteriálních funkcí lze určit dosazovací vzdálenosti nálitků. Přímo tedy vidíme, zda nedochází k samostatnému tuhnutí některých částí odlitku, které jsou odděleny od dosazování tekutého kovu z nálitků - viz obr. 2. Simulace nám tedy opět odpoví na otázky:

  • Je navolené dimenzování nálitků správné?
  • Jaké je využití kovu v nálitcích?
  • Je nutné ovlivnit teplotní pole jinými prostředky (chladítka, zásypy)?
  • Je počet použitých nálitků dostatečný?
Obr 2a: Zobrazení charakteru tuhnutí a vzniku pórozity v odlitku: zobrazení postupu krystalizační fronty
Obr 2b: Zobrazení charakteru tuhnutí a vzniku pórozity v odlitku: predikce vzniku sraženin v odlitku

V případě, že zvolená technologie řeší uspokojivě problémy spojené s tuhnutím, můžeme dále optimalizovat například velikost a typ použitých nálitků. V dnešní době je běžnou praxí používání izolačních nebo exotermických obkladů. I tyto moderní technologické pomůcky mohou být zahrnuty do výpočtu.

Chladnutí a vznik nežádoucích jevů

U složitých odlitků, které mají komplikované přechody stěn, nás často zajímá, jaká zbytková pnutí mohou zůstat v odlitku, jaká je náchylnost ke vzniku trhlin a prasklin a jak se odlitek bude deformovat. Materiálové modely zahrnují elastické, elasto-plastické nebo elasto-viskózní vlastnosti odlitku nebo formy. Během výpočtu se uvažuje s odtržením ztuhlého povrchu odlitku od formy a tedy s formováním vzduchových mezer. Koeficient přestupu tepla je automaticky přepočítáván, což umožní přesné výpočty přenosu tepla během tuhnutí a chladnutí. U nepoddajných forem můžeme sledovat vliv brzděného smrštění na vznik napětí v odlitku, případně následné deformace po vyjmutí z formy. Tyto výpočty specifikují příčiny vzniku nežádoucích jevů a podněcují úvahy o změně tepelné bilance procesu, případně jsou argumentem k zásahu do geometrie součásti.

Možnosti numerické simulace ani zde nekončí. V současné době jsou zpracovány modely pro výpočet nukleace a růst zrn, pro predikci mechanických vlastností, případně speciální modely tepelného zpracování. Záleží pouze na uživateli, jaká oblast je pro něj určující s ohledem na požadované vlastnosti odlitku.

Validace výpočtů

To, co koncový uživatel požaduje od provedených výpočtů, je dobrá shoda numerického experimentu s realitou. Společnost ESI Group jakožto průkopník numerických simulací věnuje značnou pozornost validaci jednotlivých procesů a technologií. Na obrázku 3 je naznačeno ověřování výpočtu během fáze plnění pomocí rentgenového prozařování formy. Rovněž ověřování velikosti a umístění makro- a mikroporozity je jedním z hlavních bodů validačních výpočtů - viz obr. 3b.

Obr 3a: Validace programu ProCast: validace proudění
Obr 3b: Validace programu ProCast: validace tuhnutí - oddělení tuhnutí a vznik ředin

Dobrá shoda numerického výpočtu s realitou je podmíněna správnou definicí počátečních a okrajových podmínek a zároveň přesnou znalostí termo-fyzikálních (termo-mechanických) dat použitých materiálů. Bez jakýchkoliv pochyb platí, že pouze přesná data vedou ke korektnímu výpočtu. Programy jako například ProCAST, případně QuikCAST, jsou validovány přímo na provozní podmínky jednotlivých sléváren, a tak zaručují maximální efektivnost jejich nasazení.

Ing. Vladimír Krutiš, Ph.D.,

Ing. Zbyněk Kuzma

www.mecasesi.cz

tereza.bartova@mecasesi.cz

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 91008
Datum: 07. 10. 2009
Rubrika: Informační technologie / CAD/CAM/CAE
Autor:
Firmy
Související články
Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

Související články
Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Setkávání

Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

Softwarové řešení pro přípravu NC programů

Firma FANUC nabízí možnost rozšíření svých CNC řídicích systémů o grafické programovací prostředí nazvané Manual Guide i.

Od správy nástrojů po simulaci NC programů

V oblasti integrované správy nástrojů u společnosti KHS hraje software pro správu nástrojových dat TDM zásadní úlohu. Tento software zde byl zaveden před čtyřmi lety a v současné době poskytuje 3D modely nástrojů a nástrojová a technologická data pro NC programování, simulaci výroby, seřizování nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.

CAM pro CMM

V posledních letech se ve strojírenství stále více dbá na přesnost výroby a tím i na kvalitu a efektivnost měřicího procesu. Měřicí proces dnes zasahuje i do různých stadií výroby, nejen do závěrečného procesu kontroly výrobku.

Komplexní CAM systém s metrologickými nástroji

Je tomu již několik let, kdy se systém Surfcam zařadil do portfolia produktů společnosti Vero Software, která je součástí nadnárodního technologického koncernu Hexagon. Takováto součinnost softwarových gigantů zaručuje optimální kombinaci nejmodernějších technologií v oblasti výroby a špičkových metrologických nástrojů.

Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

Nové funkce pro automatizaci obráběcího procesu

Nová verze CAD/CAM softwaru TopSolidAM V7.13 přináší především jednodušší programování s funkcemi, které se velmi snadno používají. Výsledkem je úspora času, které lze dosáhnout díky novému vysoce výkonnému režimu analýzy kolizí a možnosti provádět řadu úloh zcela automaticky, což přináší celkově vyšší úrovně automatizace obráběcích procesů. V nové verzi najdeme i novou strategii najíždění, která zajistí vyšší životnost obráběcích nástrojů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit