ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОТЛИВКИ "ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА" ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

 

Краснятов Д.С. (БГТУ, г.Брянск, РФ)

 

Construction of computer model of crystallization of casting "the Sleeve of the cylinder" diesel engine.

 

Компьютерное моделирование позволяет удешевить и  ускорить процесс освоения изготовления продукции. Моделирование процесса кристаллизации отливки "Гильза цилиндра" тепловозного дизеля, производимой на ЗАО УК "БМЗ Металлургическое производство", производилось в программе SolidCast® компании "Finite Solution". Цель проектирования – выявить возможные дефекты усадочного происхождения.

В настоящее время отливку «Гильза цилиндра» изготавливают из серого легированного чугуна марки «СП» следующего состава: C = 2,7…3,1%;
Si = 1,7…2,0%; Mn = 0,8…1,1%; P - не более 0,2%; S - не более 0,06%;
Cr = 0,3…0,6%; Ni  = 0,9…1,2%; Cu = 0,3…0,6%; Mo = 0,5…0,7%. Структура данного чугуна – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с равномерно распределёнными включениями графита прямолинейной или завихрённой формы (длина графитных включений не более 180 мкм). Марочником завода лимитировано содержание цементита в структуре – 2…5%. Также контролируются следующие  механические свойства: предел прочности (не менее 300МПа) и твёрдость (217…269 единиц по Бринеллю). Гильза цилиндра работает в сложных условиях (тепловые, а так же ударные нагрузки), поэтому необходимо устранить усадочные дефекты, так как они могут являться концентраторами напряжений в детали, что приведёт к её разрушению.

 

 
Трёхмерная модель отливки, элементов литниковой системы (питатели, литниковые ходы, стояк, литниковая чаша и выпор) импортировались в SolidCast® в формате *.stl (STereo Lithography)– файла. Данные 3-D – модели были построены в системе автоматизированного проектирования "Компас" компании "Аскон", но возможно построение в любой CAD – системе, которая позволяет сохранять документы в формате *.stl. Результат построения трёхмерной модели, в соответствии с условиями изготовления "Гильзы цилиндра" на ЗАО УК "БМЗ Металлургическое производство", представлен на рис.1.

Рисунок1- Отливка "Гильза цилиндра" с элементами литниковой системы

 

В процессе моделирования учитывались следующие параметры:

1. Материал отливки – серый легированный чугун С=2,7-3,1%; Si = 1,7-2,0%;
Температура заливаемого металла 1400 оС;

2. Песчано-глинистая сырая форма;

3. Температура окружающей среды 26 оС;

4. Внутренний коэффициент теплопередачи материала формы 8,512 Вт/м2 ∙К;

5. Величина усадки сплава 2%;

6. Толщина стенок формы (расстояние от поверхности отливки до внешней поверхности формы) – 50 см, (квадратное сечение);

7. Сетка состояла элементарных ячеек, размер  которых 2,5 мм;

8. Податливость формы соответствует коэффициенту 4 (значения принимаются в диапазоне от 0 до 4, большие значения соответствует большей податливости формы).

 

 
Температурная кривая и кривая объёмных изменений при кристаллизации представлены на рисунке 2. Здесь линия 1-1' – температурная кривая, задающая изменение температуры при охлаждении сплава, как в однофазной, так и в двухфазной области (между вертикальными линиями ликвидуса и солидуса); линия 2 -2' ­– кривая изменения объёма в процентах при кристаллизации.

 

 

Рисунок 2- Температурная кривая и кривая объёмных изменений

 

Критерий Нийама вычисляется как температурный градиент, поделённый на корень квадратный из скорости охлаждения в данном расчётном узле, другими словами он показывает направленность процесса кристаллизации. Нулевое значение данного параметра свидетельствует об отсутствии направленной кристал­лизации в локальном объёме и повышенной опасности появления здесь пористости, критический предел – 0,75 (рис.3). Вычисление критерия Нийама, основанное на теплопередаче, не учитывает гравитацию, поэтому для большинства сталей и чугунов плотность является параметром, более чувствительным к усадке. Более того, данный параметр стремиться к нулю в тех областях, где мал температурный градиент – в центре тонких стенок (рис.4). Поэтому данный критерий не является гарантом, определяющим усадку отливки.

Температурный градиент отражает интенсивность теплоотвода. Высокий температурный градиент свидетельствует о значительном различии температуры между двумя ближайшими расчётными точками в текущий момент времени, и наоборот, малая величина свидетельствует об однородности температурного поля в локальном объёме. Температурный градиент вычисляется при затвердевании в каждом узле отливки при прохождении точки Нийама на кривой охлаждения (линия 1-1' рис. 2).

Рисунок 3- Области и критерием Нийама равным 0,75 для отливки "Гильза цилиндра"

 

Скорость охлаждения позволяет оценить качество отливки. Быстро охлаждающиеся области имеют более благоприятную мелкозернистую структуру. Но большая скорость охлаждения может бать причиной отбела серого чугуна, что недопустимо для данной детали. Рисунок 5 показывает возможные дефекты отливки, вызванные разной скоростью охлаждения. Увеличенная зона "А" имеет низкую скорость охлаждения (3 град/мин), что может быть причиной усадочных дефектов. Поверхности "Б" имеют скорость отвода тепла 100 град/мин, что может вызвать отбел поверхности.

С целью определения скорости кристаллизации в локальном объёме отливки программа SolidCast® использует такой параметр как "Горячие пятна" (название параметра является фирменным и не имеет распространения за пределами данного программного продукта). Скорость кристаллизации определяется в относительных единицах – от 0 до 10. Значение 1 говорит о предельно замедленной скорости кристаллизации в локальных объёмах. На рисунке 6 показан параметр "Горячие пятна" равный 1.

Рисунок 6- "Горячие пятна", значение параметра =1

 

Рисунок 7- Возможные усадочные дефекты отливки "Гильза цилиндра"

 

Плотность металла (рис.7) отражает усадочные дефекты в отливке. Плотность металла измеряется в относительных единицах, в интервале от 0 до 1 и является количественной мерой заполнения металлом локального объёма после затвердевания. Значение 1 соответствует плотному металлу, значение 0 свидетельствует об отсутствии металла в локальном объёме. Объёмы с нулевой плотностью являются усадочными раковинами, объёмы с плотностью менее 1 поражены усадочной пористостью.

В результате анализа полученных данных и построения изоповерхностей можно сделать следующие выводы: усадка в нижней части отливки обусловлена недостаточной скоростью охлаждения металла. Усадка в верхней части отливки обусловлена недостаточным питанием отливки. Возможно появления отбела тонких стенок отливки.

В качестве рекомендации для устранения усадочных дефектов отливки "Гильза цилиндра" можно порекомендовать: применение смесей с повышенной теплопроводностью или использование холодильников; для устранения усадки в верхней части отливки – проставление прибылей или применение такой литниковой системы, чтобы использовать её в качестве прибыли; применение модифицирования расплава чугуна, снижающего его склонность к объёмной усадке; выбор оптимального химического состава чугуна, имеющего малую склонность к объёмной усадке.

Сайт управляется системой uCoz