Каждому технологу в своей работе часто приходится сталкиваться с проблемой отладки технологии с целью устранения усадочных дефектов, трещин, дефектов по заливке. При этом он может рассчитывать только на собственный опыт или опыт коллег по схожим отливкам, изучение специальной литературы по соответствующей проблематике, наконец, на метод проб и ошибок при изготовлении опытных партий отливок.

Современные системы моделирования литейных процессов (СМЛП), которые в последнее время приобретают все большее и большее развитие, также серьезно упрощают задачу технологу литейщику в совершенствовании технологии. Однако большинство подобных программ аналитического характера, то есть технологу необходимо задать геометрию отливки, все необходимые технологические параметры и, проведя анализ в СМЛП, можно оценить пригодность или не пригодность полученной технологии. Совершенствование технологии при помощи такого способа может занять существенное время (хотя и гораздо меньшее, чем при традиционном методе проб и ошибок), поэтому об оптимизации технологии для экономии жидкого металла зачастую речи не идет.

Сегодня мы бы хотели рассказать о программном комплексе SOLIDCast, который способен не только провести анализ технологии литья, но и оптимизацию по заранее выбранным параметрам и ограничениям. Для оптимизации применяется дополнительный модуль OPTICast, который использует основной решатель программы и управляет всем процессом оптимизации. Далее рассмотрим основные возможности OPTICast на простом примере.

Для изготовления отливки “Колесо” из серого чугуна применяется классическая в таких случаях технология (см. рис. 1а): используется установка закрытой центральной прибыли на ступице колеса, а также по пять боковых прибылей на ободе.

а) б) 

Рис. 1. Исходная технология отливки “Колесо”: а) геометрия отливки и литниково-питающей системы; б) анализ усадочных дефектов в SOLIDCast.

Моделирование в SOLIDCast показало, что объема боковых прибылей не достаточно: в теле отливки образуется усадочная рыхлота (см. рис. 1б). Высота центральной прибыли при этом больше необходимого и ее можно уменьшить для экономии металла. В классическом подходе нам потребовалось бы изменить геометрию прибылей в CAD-системе, загрузить полученные модели в SOLIDCast в формате STL, заново задать все параметры процесса и провести дополнительный расчет. При помощи модуля OPTICast мы сможем провести ряд таких расчетов в автоматическом режиме, без дополнительного участия технолога.

Во время оптимизации мы можем изменять следующие параметры процесса:

• Геометрические размеры элементов:
  • Прибылей.
  • Внутренних и внешних холодильников.
  • Элементов литниковой системы.
  • Экзотермических и теплоизоляционных оболочек.
• Технологические параметры процесса:
  • Температуру заливки сплава.
  • Начальную температуру формы.
  • Время заливки формы.

Настройка оптимизации в OPTICast очень проста и наглядна (см. рис. 2). Во-первых, необходимо выбрать переменные процесса и пределы их изменения. В нашем случае мы выбрали в качестве переменных высоту центральной прибыли (изменение в пределах от 10% до 150% от первоначального размера), а также высоту и ширину боковой прибыли (независимое изменение от 10 до 200%). При этом изменяться будет только одна боковая прибыль (на рис. 2 выделена красным цветом), остальные прибыли связаны с первой и все изменения в размерах скажутся и на них. Это позволит получить в конечном итоге технологию с одинаковыми по размерам боковыми прибылями, что упростит сборку модельного комплекта перед формовкой.

Рис. 2. Настройка оптимизации в OPTICast: выбор геометрической переменной (боковой прибыли) и установка пределов изменения ее размеров.

Во-вторых, выбираем ограничение оптимизации – устанавливаем значение 100%-ю плотность отливки, то есть в расчетах не будет допускаться образование усадочных дефектов в отливке (прибыль и литниковая система при этом не учитываются). Все варианты технологии, не удовлетворяющие этому ограничению, будут отбракованы в процессе оптимизации. И наконец, в-третьих, необходимо назначить оптимизирующую функцию – мы выбрали максимальный выход годного. Таким образом, из всего множества вариантов оптимальным будет технология с наибольшим выходом годного, но без усадочных дефектов в отливке.

После выбора всех параметров оптимизации запускается расчет. При этом происходит моделирование исходной технологии, OPTICast анализирует полученные результаты и сопоставляет их с заданными ограничениями. Основываясь на полученных данных, программа автоматически изменяет геометрию прибылей, перестраивает расчетную сетку и проводит новый расчет (см. рис. 3). Так проводится несколько итераций до получения оптимального варианта. Количество итераций при этом зависит от количества выбранных переменных. Например, для нашего случая – 3 переменных проекта (ширина и высота боковой прибыли, высота центральной прибыли) потребовали расчета 25 итераций, что заняло благодаря быстрому решателю SOLIDCast не более суток.

Рис. 3. Автоматическое изменение размеров прибылей во время оптимизации. Цветом отображается жидкий металл в отливке при кристаллизации.

В конечном итоге оптимизированная технология выглядит следующим образом (см. рис. 4). Масса боковой прибыли увеличилась с 58 до 98 кг, а центральной – уменьшилась с 442 кг до 293 кг. Выход годного уменьшился с 48,6 % до 42,1, но усадочные дефекты в отливке полностью отсутствуют.

а) б)

Рис. 4. Оптимизированная технология отливки “Колесо”: а) геометрия отливки и литниково-питающей системы; б) анализ усадочных дефектов в SOLIDCast.

Таким образом, OPTICast совместно с SOLIDCast позволяет существенно облегчить задачу технологу в оптимизации технологии с целью устранения усадочных дефектов в отливке, а также увеличения выхода годного. Особенно такой инструмент полезен при оптимизации сложных технологий с большим количеством прибылей, где ручное изменение параметров процесса отнимает слишком много времени и не дает в конечном итоге самого оптимального варианта.

А.Д. Абдуллин, инженер технической поддержки, ООО “Делкам-Урал”