3 (72), 2013 / 149 УДК 621 .74 Поступила 23.08.2013 А. Н. чичко, с. Г. лиХоузоВ, о. А. сАчек, ю. В. яцкеВич, В. Ф. соБолеВ, т. В. МАтюШиНец, о. и. чичко, БНту клеточНо-автоматНое моделироваНие распределеНия усадочНых деФектов в отливке «корпус подШипНика» с приБылЬю при раЗличНых подводах металла Проведено клеточно-автоматное моделирование распределения усадочных дефектов в отливке «корпус подшипни- ка» с прибылью при подводе в различные части отливки. установлено, что данная отливка полностью заполняется металлом, не образуя недоливов, для рассмотренных вариантов подвода металла. установлено, что при подводе ме- талла в массивную часть образуются раковины объемом до 739 см3, что на 69% меньше, чем в аналогичном варианте без прибыли (2355 см3). Cellular automata simulation of the distribution of shrinkage defects in the casting of «The bearing housing» with a head during the metal flow to various parts of the casting was held. It is established that the casting is completely filled with metal, without forming runout, for the considered options for the metal flow. It is established that during the metal flow to the massive part, a bubbles up to 739 cm3 were formed, which is 69% less than in the same form without a head (2,355 cm3). В БНТУ в течение 15 лет развиваются клеточ- но-автоматные методы расчета литейных и метал- лургических процессов . За это время достигнуты огромные успехи и созданы первые национальные компьютерные системы технологического назна- чения – ПроЛит-1, ПроЛит-1с, ПроНРС-1, АОМ-1, АОМ-2 и др . Клоны этих компьютерных систем расширяются, а версии модернизируются . Так, в настоящее время уже есть первые варианты ком- пьютерных систем ПроВент-1 (процессы вентиля- ции в строительстве), ПроХим-1 (процессы проте- кания химических реакций в условиях перемеши- вания в промышленном оборудовании), АэроПро-1 (процессы обтекания воздушных потоков автомо- биля), АэроПро-2 (процессы расчета аэродинами- ческих сил при движении беспилотных летатель- ных комплексов) . Наша цель – импортозамещение научно-технического инструментария, используе- мого на различных промышленных предприятиях Республики Беларусь . Целью данного сообщения является информи- рование научно-технической общественности о раз- витии новых методов расчета эволюции усадоч- ных дефектов в промышленных отливках . Используя методы, описанные в работах [1–4], было проведено клеточно-автоматное моделирова- ние процесса изготовления отливки «Корпус под- шипника» методом литья в форму . На рис . 1 показана 3d-модель стальной отлив- ки «Корпус подшипника» с литниковой системой с прибылью при подводе металла в массивную часть, которая была построена с помощью системы Solid Works и импортирована в систему «ПроЛит-1у» . В качестве расплава была использована сталь 25Л ГОСТ 977-88, имеющая следующие характерис- тики: • удельная теплоемкость с1 задается в таблич- ном виде (табл . 1); Т а б л и ц а 1 . Значения удельной теплоемкости в табличном виде T, °C 100 200 400 600 с1, Дж/(кг·ºС) 470 483 525 571 • коэффициент теплопроводности l1 задается в табличном виде (табл . 2); Т а б л и ц а 2 . Значения удельной теплопроводности в табличном виде T, °C 20 100 200 300 400 l1, Вт/(м·ºС) 51 76 65 44 38 • плотность r = 7830 кг/м3; • Tлик = 1521 ºС; Tсол = 1487 ºС; Tзал = 1590 ºС . В качестве формы использовали песчаную смесь со следующими характеристиками: 3 (72), 2013 150 / • удельная теплоемкость с2 = 120 Дж/(кг·ºС); • коэффициент теплопроводности l2 = 0,8 Вт/ (м·ºС); • плотность r2 = 1600 кг/м3 . На рис . 2 представлена расчетная эволюция запол- нения стальной отливки «Корпус подшипника» с при- былью при подводе металла в массивную часть для различных моментов времени . Ячейки красного цвета соответствуют ячейкам расплава, синего – ячей- кам воздуха, коричневого – областям закристаллизо- вавшегося металла . Как видно из рисунка, отливка полностью заполняется металлом, не образуя недоли- вов, причем на момент окончания заполнения отливки кристаллизуется нижняя область тонкой части . На рис . 3 приведены температурные поля исследу- емой отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в массивную часть для различных моментов времени . Как видно из рисунка, наблюдается быстрое охлаждение прибылей и наиболее удаленных от питания зон отливки . Как и для варианта c подво- Рис . 1 . 3d-модель стальной отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в массивную часть а б в г д е Рис . 2 . Моделирование . Динамика заполнения стальной отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в массивную часть для различных моментов времени: а – 0; б – 30 с; в – 60; г – 90; д – 120; е – 145 с 3 (72), 2013 / 151 дом металла в массивную часть без прибыли, на- блюдается формирование термического узла в цен- тральной части отливки к моменту окончания кристал- лизации . На рис . 4 представлены температурные поля стальной отливки «Корпус подшипника» с прибы- лью при подводе металла в массивную часть для различных моментов времени в плоскости XZ для сечения Y = 24 . Как видно из рисунка, существует значительный градиент температур в пристеноч- ной области массивной части отливки на проме- жутке времени до 1000 с, после чего пристеночная область начинает нагреваться за счет разогрева формы до температур, близких к 1500 °С . На рис . 5 приведены поля распределения уса- дочной пористости отливки «Корпус подшипни- ка» с прибылью при подводе металла в массивную часть для момента времени t = 8050 c в плоскости XY для сечений Z = 36, Z = 52 и в плоскости XZ для сечений Y = 28, Y = 22 . Ячейки синего цвета соот- ветствуют области расположения усадки, ячейки коричневого цвета – областям закристаллизовав- шегося металла . Как видно из рисунка, значитель- ная часть усадочных раковин сконцентрирована в прибыли . Однако существуют области с усадоч- ными раковинами и в отливке, в основном в мас- сивной ее части . В результате моделирования распределения усадочных дефектов на изделии «Корпус подшип- ника» с прибылью при подводе металла в массив- ную часть было выявлено образование усадочных раковин объемом 739 см3, что на 69% меньше, чем в аналогичном варианте без прибыли (2355 см3) . На рис . 6 показана динамика заполнения (расчет- ные данные) стальной отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в тонкую часть для различных моментов времени . Как видно из ри- сунка, отливка полностью заполняется металлом, не а б в г д е Рис . 3 . Моделирование . Температурные поля отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в массивную часть для различных моментов времени: а – 145 с; б – 500; в – 1000; г – 2000; д – 4000; е – 8050 с 3 (72), 2013 152 / а б в г д е Рис . 4 . Моделирование . Температурные поля отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в массивную часть для различных моментов времени в плоскости XZ (Y = 24): а – 85 с; б – 500; в – 1000; г – 2000; д – 4000; е – 8050 с а б в г Рис . 5 . Моделирование . Расположение областей усадочных раковин в отливке «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в массивную часть в плоскостях XY и XZ для различных сечений: а – плоскость XY, сечение Z = 36; б – плоскость XY, сечение Z = 52; в – плоскость XZ, сечение Y = 28; г – плоскость XZ, сечение Y = 22 3 (72), 2013 / 153 образуя недоливов, причем на момент окончания за- полнения отливки не наблюдается существенных за- кристаллизованных частей отливки . На рис . 7 представлены температурные поля ис- следуемой отливки «Корпус подшипника» с прибы- лью при подводе металла в тонкую часть для раз- личных моментов времени . Как видно из рисунка, при- были охлаждаются интенсивнее, чем массивная часть отливки и хоть и обеспечивают питание отливки в пе- риод времени до 4000 с в дальнейшем не выполняют своей функции, полностью кристаллизуясь и даже на- чинают играть роль холодильника, что хорошо видно по моменту времени 8050 с (см . рис . 3, е) . На рис . 8 представлены поля усадочной пори- стости отливки «Корпус подшипника» с прибы- лью при подводе металла в тонкую часть для мо- мента времени t = 8250 c в плоскости XY для сече- ний Z = 18, Z = 34 и в плоскости XZ для сечений Y = 26, Y = 21 . Как видно из рисунка, объем уса- дочных раковин заметно снижен по сравнению с аналогичным вариантом подвода металла без установки прибылей . Усадка отсутствует в тонкой части отливки, но полностью не исключена из мас- сивной части, что говорит о необходимости увели- чения объема прибылей . На рис . 9 показаны трехмерные изображения усадочных раковин в исследуемой отливке «Кор- пус подшипника» с прибылью при подводе метал- ла в тонкую часть с областями усадочной пористо- сти (фиолетовый цвет) . Как видно из рисунка, су- ществуют два характерных места расположения усадочных раковин: под прибылями и в централь- ной части отливки . В результате клеточно-автоматного моделиро- вания распределения усадочных дефектов на изде- лии «Корпус подшипника» с прибылью при подво- де металла в тонкую часть отливки было выявлено появление усадочных раковин объемом 825 см3, что на 71 % меньше, чем в аналогичном варианте без прибыли (2860 см3), и на 12% больше, чем в варианте с аналогичной прибылью при подводе металла в массивную часть 739 см3 . Таким образом, применение методов клеточно- автоматного моделирования к расчету процесса за- а б в г д е Рис . 6 . Моделирование . Динамика заполнения стальной отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в тонкую часть для различных моментов времени: а – 0 с; б – 20; в – 40; г – 80; д – 120; е – 185 с 3 (72), 2013 154 / а б в г д е Рис . 7 . Моделирование . Температурные поля отливки «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в тонкую часть для различных моментов времени: а – 185 с; б – 500; в – 1000; г – 2000; д – 4000; е – 8250 с а б в г Рис . 8 . Моделирование . Расположение областей усадочных раковин в отливке «Корпус подшипника» с прибылью при подводе ме- талла в тонкую часть в плоскостях XY и XZ для различных сечений: а – плоскость XY, сечение Z = 18; б – плоскость XY, сечение Z = 34; в – плоскость XZ, сечение Y = 26; г – плоскость XZ, сечение Y = 21 3 (72), 2013 / 155 твердевания металла показывает широкие возмож- ности детализации распределения усадочных пустот при заданных пространственно геометрических раз- мерах литников . Эти методы в ближайшие годы ста- нут мощнейшим инженерным инструментом тех- нологов, разрабатывающих литейные технологии . Рис . 9 . Моделирование . Трехмерные изображения усадочных раковин (фиолетовый цвет) в исследуемой отливке «Корпус подшипника» с прибылью при подводе металла в тонкую часть Литература 1 . Ч и ч к о А . Н ., М а т ю ш и н е ц Т . В ., М а р к о в Л . В . и др . Модели и алгоритмы для САПР технологического процесса изготовления отливок, ориентированного под суперкомпьютер СКИФ // Литье и металлургия . 2009 . № 1 . С . 94-101 . 2 . Ч и ч к о А . Н ., С о б о л е в В . Ф ., Л и х о у з о в С . Г ., Ч и ч к о О . И . Программное обеспечение «ПроЛит-1с» для модели- рования литейных процессов на кластерных мультипроцессорных технологиях суперкомпьютера СКИФ // Литье и металлургия . 2007 . № 3 . С . 76–80 . 3 . Ч и ч к о А . Н ., К у к у й Д . М ., С о б о л е в В . Ф . и др . Программное обеспечение под суперкомпьютер «СКИФ» «ПроЛит- 1с» и «ПроНРС-1с» для литейного и металлургического производств // Литье и металлургия . 2008 . № 3 . С . 131-139 . 4 . Моделирование пространственного распределения скоростей металла в формах с различным типом связи литниковых кана- лов в CAE «ПроЛит-1» / А .Н . Чичко [и др .] // Литье и металлургия . 2012 . № 1 . С . 71–75 .