В настоящее время на литейных заводах и в литейных цехах для снижения временных и финансовых затрат на подготовку производства начали широко применять компьютерные технологии, а именно:
- компьютерное моделирование процесса формирования отливок при проектировании технологии;
- использование CAD-систем при проектировании технологии, проектировании и изготовлении оснастки.
Отработка литейной технологии чуть ли не для каждой сложной отливки во многом основывается на металлоемком методе проб и ошибок, эмпирическом опыте работы технологов, которые должны держать в голове массу информации об удачных и неудачных попытках получения отливок и оперировать ею, зачастую опираясь на интуицию и лишь в редких случаях – на строгие алгоритмы. Специфика литейного производства такова, что среди всего многообразия контролируемых факторов фигурируют и состояние заливаемого металла, и способ изготовления формы, и ее предварительный прогрев, и скорость подачи жидкого металла в форму, и, разумеется, конфигурация самой отливаемой детали и литниковой системы, и скорость отвода тепла при затвердевании, и т.д. При этом необходимо отметить, что ещё в 60-е – 70-е годы в нашей стране была достаточно подробно разработана видными учёными-литейщиками теория литейных процессов. Надежное решение тех или иных задач формирования отливки зачастую не может быть получено аналитическим путем, а лишь численно, с реализацией решения на компьютере. По этой причине практическое осуществление подобных расчетов было лишь вопросом времени, вопросом должного развития компьютерной техники.
Система компьютерного моделирования литейных процессов ПОЛИГОН уже давно существует на рынке подобных продуктов и успела снискать популярность и уважение среди многих промышленных предприятий. Система ПОЛИГОН на сегодняшний день является мощной современной трехмерной системой компьютерного моделирования физических процессов, влияющих на качество отливки. Она базируется на методе конечных элементов (МКЭ), который является в настоящее время наиболее адекватным численным методом решения задач подобного рода.
Структурно ПОЛИГОН представляет собой набор программных модулей, ориентированных на работу в едином пакете. Их принято объединять в три большие группы:
- препроцессор – модули, в которых производится подготовка геометрической модели и вводятся исходные данные по материалам сплава и формы, чему помогает подключенный обширный справочник по свойствам литейных сплавов и материалов, имеются средства автоматической генерации свойств некоторых типов сплавов по химическому составу (модули «Мастер-3D», «Оптима» и «Сплав»);
- процессор – модули, выполняющие расчеты, использующие данные, подготовленные в модулях препроцессора (модули «Фурье-3D», «Старт FlowVision»);
- постпроцессор – модули для визуализации результатов расчетов, выполненных в модулях процессора («Мираж-3D», «Мираж-Л»).
Работа с программным пакетом ПОЛИГОН предваряется созданием трехмерной геометрической модели отливки и литейной формы со всеми ее элементами, для чего можно использовать практически любые CAD-системы. С помощью генератора конечно-элементной (КЭ) сетки, полученные геометрические модели преобразуются к виду, приспособленному для проведения расчётов в ПОЛИГОНе. ПОЛИГОН поддерживает чтение многих форматов, выдаваемых программами, генерирующими конечно-элементную сетку. Следует отметить, что геометрическая информация при описанном методе подготовки геометрии передается в ПОЛИГОН без искажений.
В процессорных модулях ПОЛИГОН моделирует процессы заполнения, затвердевания, образования усадочных раковин и микро- и макропористости.
Модели в гидродинамической задаче предназначены для моделирования широкого класса гидродинамических явлений. Они описывают движение жидкости при различных скоростях с учетом эффектов сжимаемости, турбулентности и теплопереноса. Гидродинамический расчёт позволяет проследить потоки, поля скоростей и температур при заполнении формы расплавом, а также получить начальное распределение температурных полей в отливке с учетом взаимодействия расплава с формой для последующей передачи в модуль процессора «Фурье-3D» стартовой температурной картины до начала затвердевания. Рис. 2 иллюстрирует некоторые этапы гидродинамического расчета. Различные части отливки на рис. 2 окрашены в разные цвета в соответствии с выбранной цветовой палитрой и поставленной ей в соответствие шкалой температур.
Численное решение гидродинамической задачи производится методом конечных объёмов.
Тепловой расчёт в модуле «Фурье-3D» – это решение основополагающей задачи моделирования температурно-фазовых полей в отливке и температурных полей в форме. В алгоритм теплового расчета заложен учет теплопередачи теплопроводностью, конвекцией, лучеиспусканием, неравномерности выделения скрытой теплоты затвердевания, сложный характер тепловыделения на границе «отливка-форма» при возможности наличия межконтактных прослоек (окислы, краски). Модели граничной передачи использует физические представления, предполагающие одновременное существование распределенных пятен плотного контакта и теплопередачи через зазор. Важным является тот факт, что в ПОЛИГОНе решается сопряженная задача расчета температурно-фазовых полей отливки и температурных полей формы. Однако, расчетные алгоритмы ПОЛИГОНа позволяют для экономии времени и сокращения трудоёмкости моделирования также применять учет формы с помощью тепловой активности, а также комбинированный учет.
В системе ПОЛИГОН расчет тепловых процессов ведется методом конечных элементов.
Совместно с тепловым расчётом в модуле «Фурье-3D» производится решение задачи питания отливки, имеющее целью расчет микро- и макропористости. Алгоритм расчета усадочных процессов и образования усадочных дефектов после заполнения полости формы расплавом основан на следующих представлениях о физике процесса. Образование микропористости связано с недостатком давления в некоторой области двухфазной зоны, находящейся ниже уровня расплава. Образование же в некоторой части объема отливки макропористости и раковин обусловлено падением уровня расплава ниже этой области. Расчет раковин и макропористости основан на вычислении объемной усадки и движения зеркала расплава в каждой изолированной области питания. При этом решается задача определения на каждом временном шаге всех изолированных зон питания и уровня зеркала расплава в каждой зоне.
Рис. 1. Дефектные области отливки 
(а – с пористостью выше 2%; б – выше 20%; в – выше 75%)
На рис. 1 приведены результаты усадочного расчета. При визуализации результатов использован мощный инструмент, встроенный в «Мираж-3D» – возможность вывода зон выше либо ниже или равных определенному значению изоповерхности. Таким образом, при использовании этого инструмента скрываются те части отливки (формы), в которых расчетное значение пористости (температуры, скорости и т.д.) ниже (либо выше – по выбору пользователя) определенного заданного пользователем значения.
В добавление к вышеперечисленным возможностям ПОЛИГОНа следует отметить, что недавно в составе программного пакета появился новый модуль постпроцессора «Критерий-3D». Этот модуль критериального анализа существенно расширяет границы применения программного пакета. Модуль предназначен для анализа расчетных полей, полученных в результате моделирования литейной технологии. Производя обработку по соответствующим формулам тепловых или иных полей, можно получить оценочные значения для прочности, склонности к образованию трещин, структуры металла, размыва формы и т.п. Исходными данными для модуля являются результаты моделирования, произведенного в модуле «Фурье-3D», результатом его работы – стандартный файл модуля «Мираж-3D». Помимо использования готовых формул, составленных разработчиками, пользователю предоставляется возможность составлять и использовать для анализа свои формулы.
Результаты моделирования технолог просматривает и обрабатывает в постпроцессоре «Мираж-3D», позволяющем загрузить файлы с результатами моделирования, полученных в модулях процессора, и в динамике просмотреть на компьютере тот или иной процесс в жизни отливки: заполнение формы, затвердевание отливки, локализация тепловых узлов и образование дефектов. Интерфейс постпроцессора позволяет пользователю поворачивать объект, делать в нем любые сечения, изменять масштаб изображения, трансформировать цветовую палитру, переходить от зон равных значений свойств к изолиниям, оцифровывать изображения, совмещать на экране одновременно несколько изображений. Счетчик реального времени процесса помимо индикации текущего момента дает возможность быстро перемещаться в любую точку временной оси и просматривать «кино» покадрово, либо непрерывно (в автоматическом режиме) с любого момента.
Следующее перспективное направление применения компьютерных технологий в литейном производстве, прежде всего в процессе подготовки производства, – проектирование технологии, проектирование оснастки, изготовление оснастки с использование CAD-систем и станков с ЧПУ.
Особенностью получения литых заготовок, в сравнении с другими стадиями обработки, является получение сложных поверхностей и сопряжений, поэтому литьем изготавливают детали, которые другими способами изготавливать или очень дорого, или вообще невозможно. В силу своей специфики подготовка производства в литье является наиболее длительным процессом. А в условиях мелкосерийного производства, кроме того, является фактором, значительно влияющим на конечную цену изделия. При этом наиболее трудоемкая и дорогостоящая часть подготовки - это разработка литейной технологии, проектирование и изготовление литейной оснастки.
В условиях мелкой серии, например 500 отливок для ЛВМ, что сейчас не редкость, стоимость оснастки будет сравнима со стоимостью собственно литья. Т.е. стоимость оснастки оказывает заметное влияние на конечную цену отливки. Кроме того, качество изготовления литейной оснастки определяет часто и качество литья, а значит и его стоимость. Хорошо сделанная оснастка снижает литейный брак, повышает производительность труда литейщиков, снижает затраты на механическую обработку. Для получения более сложных, а значит и более дорогих отливок требуется более сложная оснастка. Скорость изготовления оснастки очень часто определяет время выхода первых отливок и продолжительность изготовления всего заказа, что для литейных предприятий зачастую определяет возможность получения новых заказов. Т.о. скорость и качество проектирования и изготовления оснастки является одним из важнейших факторов влияющих в ту или иную сторону на экономику литейного предприятия.
В настоящее время практически все литейные производства России испытывает острую потребность в квалифицированных технологах и конструкторах литейной оснастки. Оставшиеся действующие технологи и конструкторы, как правило, могут быть отнесены к категории ветеранов, работающих по традиционным технологиям – кульман, бумага, карандаш, методы проб и ошибок при разработке новой технологии и освоении отливки. Такие методы разработки литейной технологии основаны на собственном многолетнем производственном опыте. Для изготовления оснастки в этом случае необходим выпуск комплекта бумажных чертежей. Выпуск чертежей сопряжен с многочисленными согласованиями, поскольку, за литье, проектирование и изготовления оснастки отвечают, как правило, различные подразделения предприятия, а изготовление оснастки ведется на универсальном оборудовании, что сопровождается неизбежными ошибками, как на стадии проектирования, так и на стадии изготовления, так как на эти процессы сильно влияет человеческий фактор. Все эти негативные особенности многократно усиливаются для оснастки, имеющей сложные поверхности и состоящей из нескольких частей.
Традиционные способы проектирования и изготовления оснастки, в совокупности с устаревшим оборудованием большинства цехов, являются, кроме того, причиной низкой привлекательности литейного производства для молодых специалистов. При этом невосполнимо утрачивается многолетний опыт ветеранов производства.
Совершенно другая ситуация складывается при применении современного компьютеризированного подхода к начальному и самому важному этапу освоения производства отливок – разработке литейной технологии, проектированию и изготовлению литейной оснастки.
В общем виде такой подход предусматривает следующие этапы:
- получение от заказчика чертежа детали или отливки (возможно в электронном виде);
- разработка литейной технологии, разработка и построение в CAD-системе объемной модели отливки и согласование с заказчиком электронного или бумажного чертежа отливки;
- при необходимости анализ и оптимизация литейной технологии с помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов «Полигон»;
- конструирование и проектирование литейной оснастки в CAD – системе;
- обработка формообразующих поверхностей оснастки на станках с ЧПУ;
- изготовление простых элементов оснастки на универсальном оборудовании;
- сборка оснастки.
может работать при изготовлении оснастки для любого способа литья: в кокиль, литье по выплавляемым моделям, в землю, под давлением и т.д. На некоторых заказах отдельные стадии процесса могут выпадать. Например, если от заказчика приходит уже объемная модель отливки или даже готовый проект пресс-формы. Но в целом технологическая цепочка остается.
Пример пресс-формы для изготовления методом ЛВМ детали «Niederhalter 30мм» (рис. 2)
Рис. 2 Объемная модель отливки
Рис. 3 Верхняя полуматрица
Рис. 3 Нижняя полуматрица и вкладная часть
Рис. 4 Готовая пресс-форма
Общее время, потраченное на проектирование и изготовление этой довольно сложной пресс-формы составило 14 человеко-дней и 18 нормо-часов работы оборудования. При этом значительная треть времени ушло на процессы согласования чертежей отливки. Из этого примера видно, что предложенная технология изготовления оснастки вполне может конкурировать с традиционными методами изготовления оснастки и имеет неоспоримые преимущества:
- Стоимость. Сопоставима с традиционной технологией, а для сложных отливок существенно ниже.
- Скорость изготовления. По сути любая оснастка средней сложности изготавливается за 2-3 недели в обычном рабочем режиме.
- Качество оснастки. Практически всегда детали полуматриц изготавливаются из единой заготовки, а не собираются из нескольких частей как при традиционной технологии.
Отсюда возрастает точность изготовления оснастки. Кроме того, современные станки с ЧПУ имеют очень высокую точность – 0.005-0.01 мм.
В довершение всего компьютерное проектирование оснастки и моделирование литейной технологии позволяют избежать многих ошибок, характерных для традиционной технологии.
В настоящее время у фирмы ООО «Фокад» имеется несколько постоянных заказчиков в Санкт-Петербурге, Пскове, Тамбове. На основе накопленного положительного опыта ООО «Фокад расширяет производство пресс-форм для ЛВМ и другой литейной оснастки.