Metallgjutningsindustrin har alltid försökt balansera både tekniska och kommersiella behov, bibehålla ingenjörskapacitet, säkerställa effektiv drift och skydda företagens lönsamhet. Handelns rot har inte förändrats. Det som förändras är hur handeln bedrivs. Det är en enorm decentralisering på gång. Castingkunder lägger ut sitt ansvar och globaliserar allt mer. Som sådan har de tekniska kraven och det breda ansvaret som läggs på metallgjutmaskiner blivit ännu mer krävande. Detta ställer ytterligare krav på våra ingenjörsresurser och utmanar oss att tänka på nya sätt att förkorta ledtiderna, minska de totala kostnaderna och tekniskt interagera effektivt med kunderna.
Förändringstakten på dagens marknadsplats är så snabb att tiden-till-marknaden måste vara den överordnade prioriteringen. Alltför ofta känner sig metallgjutare tvungna att kompromissa med innovativa idéer eller tillvägagångssätt eftersom man tror att tiden helt enkelt inte räcker till. Med snabbt utvecklande CAE-teknologier inklusive omfattande gjutprocesssimulering, automatisk gjutprocessoptimering och nya datorbaserade komponentdesignverktyg är det möjligt för metallgjutmaskiner och konstruktörer att samarbeta, samtidigt, för att optimera komponentdesign och gjutprocessparametrar. Genom dessa ingenjörsinsatser kan metallgjutjärn säkerställa hållbarheten och tillväxten för sina företag samtidigt som de behåller en betydande teknisk fördel gentemot konkurrensen.
Optimerade komponentdesigner och gjutprocesser med hjälp av nya tekniska verktyg uppnås i samverkan med stark interaktion från gjutningsingenjörer och designers. Denna integrering och mänskliga samarbete är avgörande för att-designprocesskedjan ska kunna snabbare upp-. Designers behöver ett starkt stöd av gjutexperter för att kunna dra full nytta av gjutningsprestanda, vad gäller dess design och egenskaper. Kvantitativa resultat om gjutningsprestanda från gjutningsprocessimulering hjälper konstruktörer att förstå processens inverkan på gjutgodsets prestanda.
Den stadigt ökande datorns prestanda är en annan drivkraft för tillämpningen av CAE-verktyg i gjutningsutveckling. När vi ser in i den närmaste framtiden visas potentialen för beräkningsprocessoptimering. Istället för tidskrävande försök och misstag på verkstadsgolvet kommer gjuterimän att använda datorverktyg för en automatisk optimering av gjutningslayouter- eller processförhållanden.
Ersättning av processer och material inom fordons- och verkstadsindustrin har blivit en standardrutin vid design av nya komponenter. Detta är en växande utmaning för det klassiska byggmaterialet gjutjärn. Gjuterier har reagerat på detta hot mot sina ursprungliga marknader genom att använda legeringar med förbättrad materialprestanda och med nya processer som gör det möjligt för dem att gjuta tillförlitliga delar, vilket inte var tänkbart för 10 år sedan.
Att tillverka gjutjärn, segjärn, kompaktgrafitjärn eller till och med härdat segjärn för att möta dagens specifikationer kräver en djupgående förståelse för materialet och processens robusthet. Här har gjutprocesssimulering varit extremt instrumentell. Under det senaste decenniet har tekniken att simulera gjutningsprocessen och förutsäga de resulterande materialegenskaperna varit till hjälp på två sätt: För det första hjälper gjuterispecialisten att göra formen som en svart låda genomskinlig att förstå orsakerna till eventuella problem innan den första gjutningen. För det andra, att utveckla virtuella simuleringsverktyg för gjutningsprocessen kräver en djupgående och kvantitativ förståelse av effekterna av fysik, metallurgi och kemi som sådan. Detta har förändrat den empiriskt drivna processen väsentligt till en första principbaserad och pålitlig tillverkningsprocess.
För många gjutjärnsgjuterier har simulering av gjutprocesser blivit ett dagligt standardverktyg för att bedöma gating och risering och förutsäga utfodring. Det har blivit ett instrument i kvalitetssystem och processoptimering. Simuleringsverktygen för-det senaste--konsten tar hänsyn till det speciella materialbeteendet hos gjutjärn med avseende på dess legeringssammansättning, smältpraxis och metallurgi.
Den största fördelen med gjutningsprocessen är dess förmåga att utföra många uppgifter samtidigt. Men det är också dess största nackdel eftersom många processparametrar är kopplade till varandra och måste beaktas samtidigt.
De nuvarande utvecklingsinsatserna går långt utöver utvärderingen av gjutning och stelning. Ett fokus är relaterat till förutsägelse av komplexa defekter som är ett resultat av en interaktion mellan metallurgi och process. En andra utvecklingsaspekt är fokuserad på modellering och förutsägelse av hela tillverkningsvägen. Allt som krävs för att nå det slutliga målet med simulering av gjutprocesser: förutsägelse av lokala gjutegenskaper för att bedöma komponentens design, hela tekniken och dess ekonomiska inverkan på lönsamheten för gjutjärnsgjutgods.
Förutsättningar för en framgångsrik användning av simulering av gjutprocesser för gjutjärn
Smältnings- och metallurgiska metoder som tillämpas har en avgörande inverkan på gjutningsintegriteten. Detta gäller särskilt för gjutjärnskomponenter, där den metallurgiska bearbetningen är avgörande för de ultimata gjutstrukturerna och egenskaperna. Endast om simulering av gjutprocesser kan beakta effekterna av legering och metallurgi, kan gjutstrukturer förutsägas lokalt.
Stödet av den matningsrelaterade layouten av gjutgodset är fortfarande en av de viktigaste uppgifterna för simulering av gjutprocesser. Beroende på den gjutna legeringen måste olika matningsbeteenden och självmatningsförmåga övervägas för att ge en defektfri gjutning. Därför räcker det inte att basera förutsägelsen av krympningsdefekter enbart på heta punkter som härrör från temperaturfält utan också att kvantitativt kunna förutsäga dem. Stelningssimulering var tvungen att kombineras med densitets- och masstransportberäkningar för att utvärdera effekten av stelningsmorfologin på utfodringsbeteendet, samt för att beakta legeringsberoende matningsområden. Detta uppnås genom beskrivningen av temperaturberoende termo-fysikaliska egenskaper.
Det speciella matningsbeteendet hos gjutjärn och det starka beroendet av dess stelningsbeteende av metallurgin gör att en makroskopisk hotspot-förutsägelse inte är tillräcklig för att bedöma bearbetningen av järngjutgods. I segjärn resulterar stora hot spots oftast i en perfekt utfällning av grafiten och därmed i en ljudgjutning. Å andra sidan kan små heta fläckar som uppstår tidigt under stelningen leda till stark krympning på grund av austenitkontraktion och undertryckande av grafit.
För att kunna förutsäga gjutjärnets sundhet baserat på den verkliga lokala krympningen och expansionen av gjutgodset måste programmet kunna beakta kinetiken för de faser som bildas under hela stelningsvägen individuellt. För gjutjärn innebär detta att man tar hänsyn till effekterna av alla legeringskomponenter och dessutom den tillämpade inokulerings- och smältmetoden och metallurgin.
Varje gjuterispecialist använder sig av ympning och legeringssammansättning för att undvika kyleffekter eller eutektisk cementit. Dessa influenser överlagras av de lokala kylförhållandena. En ren simulering av makroskopiskt värmeflöde kan inte ta hänsyn till denna kopplade interaktion. Därför tillämpas så kallade mikrostrukturmodeller, som förutsäger mängden nya faser baserat på ovan beskrivna interaktioner för vilken plats som helst inom gjutgodset när som helst.
De olika kapaciteterna hos båda modellerna utvärderas bäst med hjälp av "simulerade" kylkurvor. Medan i makroskopiska termiska modeller materialets (termo-fysikaliska) egenskaper är fixerade för den använda legeringen, i en mikromodell bestäms dessa egenskaper vid varje tidssteg och för varje punkt som en funktion av den aktuella fasbildningen. Detta påverkar frigörandet av latent värme och slutligen formen på lokala kylkurvor Fig.
