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MAGMAiron Simulation von Eisenguß

Tutorial

MAGMAIRON TUTORIAL

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MAGMA und MAGMASOFT sowie MAGMAiron, MAGMAdisa, MAGMAlpdc, MAGMAhpdc und gleichartige Bezeichnungen sind Produktbezeichnungen der MAGMA GmbH. Alle anderen in diesem Handbuch erwähnten Produktnamen können Warenzeichen und/oder eingetragene Warenzeichen des jeweiligen Unternehmens sein. Die Unterlagen wurden sorgfältig erstellt. Alle Angaben in diesem Handbuch sind ohne Gewähr und können ohne weitere Benachrichtigung geändert werden.

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MAGMA GIESSEREITECHNOLOGIE GMBH KACKERTSTRAßE 11 D-52072 AACHEN GERMANY TEL.: +49 / 241 / 88 90 1- 0 FAX: +49 / 241 / 88 90 1- 60 INTERNET: WWW.MAGMASOFT.DE EMAIL: [email protected]

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Inhaltsverzeichnis 1

Inhaltsverzeichnis......................................................................................................3

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Vorwort........................................................................................................................5 2.1 Voraussetzungen - Warum ein Tutorial? ........................................................5 2.2 Wie Sie dieses Tutorial benutzen ......................................................................5 2.3 Installation des Projekts der Fallstudie von CD-ROM.....................................6 2.3.1 Installation unter UNIX ...............................................................................6 2.3.2 Installation unter Windows NT ...................................................................7

3

Prozeß-Überblick .......................................................................................................8 3.1 Allgemeine Simulationsziele - Überblick ........................................................8 3.2 Simulationsziele für Eisenguß ...........................................................................9 3.2.1 Einführung..................................................................................................9 3.2.2 Einleitende Erstarrungssimulation ...........................................................10 3.2.3 Füllsimulation zur Gestaltung des Gießsystems .....................................10 3.2.4 Fortsetzung der Füllsimulation.................................................................10 3.2.5 Detaillierte Erstarrungs- und Speisungssimulation ..................................10 3.2.6 Simulation des Phasenübergangs im Festkörper....................................11

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Fallstudie - Bremsscheibe ......................................................................................12 4.1 Einführung .........................................................................................................12 4.1.1 Anforderungen an das Gußteil und Zielsetzung für die Simulation .........12 4.1.2 Die Versionen des Projekts .....................................................................13 4.2 Flow Chart..........................................................................................................14 4.3 Erste Version .....................................................................................................15 4.3.1 Idee ..........................................................................................................15 4.3.2 Geometrieeingabe ...................................................................................16 4.3.3 Vernetzung...............................................................................................17 4.3.4 Simulation ................................................................................................20 4.3.5 Ergebnisse ...............................................................................................27 4.3.6 Fazit .........................................................................................................33

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4.4 Zweite Version ...................................................................................................34 4.4.1 Idee ..........................................................................................................34 4.4.2 Geometrieeingabe und Vernetzung.........................................................34 4.4.3 Simulation ................................................................................................35 4.4.4 Ergebnisse ...............................................................................................35 4.4.5 Fazit .........................................................................................................38 4.5 Dritte Version.....................................................................................................39 4.5.1 Idee ..........................................................................................................39 4.5.2 Geometrieeingabe und Vernetzung.........................................................39 4.5.3 Vernetzung...............................................................................................41 4.5.4 Simulation ................................................................................................41 4.5.5 Ergebnisse ...............................................................................................41 4.5.6 Fazit .........................................................................................................45 5

Die Einsatzmöglichkeiten von MAGMAiron ..........................................................46 5.1 Überblick ............................................................................................................46 5.2 Simulation von Sphäroguß - Beispiel ...........................................................46 5.2.1 Auslegen des Gießsystems .....................................................................47 5.2.2 Ergebnisse ...............................................................................................50 5.2.3 Fazit .........................................................................................................53 5.2.4 Für Sphäroguß wichtige Ergebnisse........................................................54

6

Publikationen............................................................................................................55

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Vorwort

2.1

Voraussetzungen - Warum ein Tutorial?

5

Das Ziel dieses Tutorials ist es, dem Anwender von Simulationssoftware einen sicheren praxisgerechten Einstieg in die Simulation von Eisengießprozessen zu bieten. Es zeigt anhand eines konkreten MAGMAiron - Projektes, welche typischen Fragestellungen sich bei der Simulation stellen und wie sie praxisgerecht gelöst werden. Das vorliegende MAGMAiron Tutorial konzentriert sich besonders auf die eisenspezifischen Aspekte und Vorgehensweisen bei der Simulation sowie auf die Ergebnisauswertung im postprocessor, während das Ihnen ebenfalls vorliegende MAGMASOFT Tutorial die grundlegenden Aspekte der Simulation behandelt: sinnvoll strukturierte Geometrieeingabe, Bewertung der Netzqualität, Verwendung der Datenbank, Festlegen der Simulationsparameter. Mit dem MAGMAiron - Modul von MAGMASOFT sind Sie in der Lage, alle in der vorliegenden Fallstudie gemachten Schritte nachzuvollziehen, da keinerlei Funktionalitäten anderer Module verwendet werden. Es wird vorausgesetzt, daß Sie eine Schulung besucht haben und mit der Bedienung von MAGMASOFT und MAGMAiron vertraut sind. Sie sollten sich die MAGMASOFT und ® MAGMAiron Handbücher sowie die MAGMASOFT Release Notes als Nachschlagewerke bereit legen, denn das Beschreiben von Einzelfunktionalitäten würde den Rahmen eines Tutorials sprengen.

2.2

Wie Sie dieses Tutorial benutzen Die zentrale Fallstudie dieses Tutorials beschreibt das Gießen einer Bremsscheibe in Grauguß (Gußeisen mit Lamellengraphit). Zunächst wird auf die Grundlagen des Eisengusses und auf die wichtigsten Regeln für gute Simulationspraxis eingegangen (Kapitel 3, "Prozeßüberblick). Daran schließt sich die Beschreibung der Fallstudie an. Sie besteht aus einem kompletten MAGMASOFT - Projekt, dessen erste Version ausführlicher als die folgenden Versi-

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onen beschrieben wird. Hier werden viele grundlegenden Vorgehensweisen vorgestellt, die sich in der Praxis bewährt haben. In den folgenden Versionen werden sie als bekannt vorausgesetzt. Lesen Sie daher dieses Kapitel (4.3) besonders sorgfältig. Mit diesem Dokument erhalten Sie auch eine CD, auf der sich das komplette Projekt der Fallstudie mit allen Versionen und Dateien befindet. Mit dieser CD sind Sie in der Lage, entweder alle oder gezielt einzelne Aktionen des Tutorials nachzuvollziehen. So können Sie beispielsweise die Geometrie der Bremsscheibe einfach laden, ohne sie eingeben zu müssen. Dort, wo sich im Tutorial Bilder von z.B. Ergebnissen aus der Fallstudie befinden, befindet sich neben dem Bild eine kurze Beschreibung, wie es gemacht wurde. Dies soll Sie dabei unterstützen, die Fallstudie nachzuvollziehen.

2.3

Installation des Projekts der Fallstudie von CD-ROM Um das Projekt der Fallstudie an Ihrem Computer nachvollziehen zu können, müssen Sie es von der beiliegenden CD-ROM auf Ihre Festplatte kopieren. Das Projekt heißt "brakedisc" und ist rund 345 Megabyte groß. Prüfen Sie vor der Installation, ob genügend Speicherplatz auf Ihrer Festplatte frei ist.

2.3.1

Installation unter UNIX 1) Legen Sie die beiliegende CD-ROM in Ihr CD-ROM-Laufwerk ein. 2) Wechseln Sie in das Verzeichnis, in dem die CD gemountet ist. Die meisten UNIXRechner mounten die CD automatisch, bei einigen muß die CD jedoch manuell gemountet werden. 3) Führen Sie das Installationsskript "install.sh" bzw. "INSTALL.SH\;1" aus, indem Sie diesen Dateinamen eingeben und die Eingabetaste drücken. 4) Geben Sie das Verzeichnis an, in das das Projekt kopiert werden soll und betätigen Sie die Eingabetaste. Daraufhin werden alle Dateien des Projekts in das angegebene Verzeichnis kopiert. Dieser Vorgang kann einige Minuten dauern. 5) Wenn die Meldung "The installation of the tutorial is finished" erscheint, wurden alle Dateien erfolgreich kopiert.

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6) Drücken Sie erneut die Eingabetaste, um die Installation abzuschließen. ®

7) Nun können Sie MAGMASOFT starten und das Projekt mit dem 'create project' – Befehl anlegen. 2.3.2

Installation unter Windows NT 1) Legen Sie die beiliegende CD-ROM in Ihr CD-ROM-Laufwerk ein. 2) Öffnen Sie den Windows NT Explorer und wählen Sie das CD-ROM-Laufwerk. 3) Führen Sie das Installationsskript "install.bat" aus, indem Sie den Mauszeiger auf diesen Dateinamen führen und mit der linken Maustaste einen Doppelklick ausführen. Ein neuen Fenster erscheint. 4) Geben Sie dort das Verzeichnis an, in das das Projekt kopiert werden soll und betätigen Sie die Eingabetaste. Daraufhin werden alle Dateien des Projekts in das angegebene Verzeichnis kopiert. Dieser Vorgang kann einige Minuten dauern. 5) Wenn die Meldung "The installation of the tutorial is finished" erscheint, wurden alle Dateien erfolgreich kopiert. 6) Drücken Sie erneut die Eingabetaste, um die Installation abzuschließen. ®

7) Nun können Sie MAGMASOFT starten und das Projekt mit dem 'create project' – Befehl anlegen.

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3

Prozeß-Überblick

3.1

Allgemeine Simulationsziele - Überblick Zehn goldene Regeln für eine gute Simulation: 1. Erste und wichtigste Regel: Stellen Sie sicher, daß der simulierte Prozeß der gleiche wie der real ausgeführte Prozeß in der Gießerei ist. Überzeugen Sie sich, daß die Werte für die folgenden Parameter gleich sind: •

Gießtemperatur

•

Gießzeit

•

Formmaterial

•

Kernmaterial

•

Zusammensetzung der Schmelze

•

Qualität der Schmelzebehandlung

2. Definieren Sie im voraus, welche Fragestellung durch die Simulation gelöst werden soll. Beachten Sie dabei, daß die Simulation der Formfüllung sehr wichtig für alle Gießprozesse ist. 3. Beginnen Sie mit einer "groben" Testsimulation, um festzustellen, ob der Aufbau Ihrer Simulation richtig ist: Vernetzen Sie grob und führen Sie eine reine Erstarrungssimulation durch, um Hinweise über Anschnitt und Speisungsverhalten zu erhalten. Ändern Sie ggf. den Aufbau und simulieren nochmals grob. Bei Bedarf wiederholen Sie dieses Vorgehen. 4. Fahren Sie mit einer genaueren Simulation - feinere Vernetzung, Füllsimulation fort. 5. Bedenken Sie die Änderung der Parameter in der Gießerei, die während eines Gießprozesses auftreten (Gießtemperatur, Gießzeit, Dichte der Form, usw.). 6. Führen Sie mehrere Simulationsdurchgänge mit unterschiedlichen Parameter-Werten durch, um den Effekt auf Qualitäts- und Fehlervorhersage zu prüfen.

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7. Wenn Sie die Simulationsergebnisse mit realen Gießversuchen vergleichen, achten Sie auf diese Unterschiede. 8. Wenn Sie diese Vergleiche vornehmen, betrachten Sie mehrere Gußstücke. 9. Nehmen Sie die Simulation als Gelegenheit wahr, sich weiterzubilden. Versuchen Sie, die komplexen Vorgänge eines Gießprozesses so gut wie möglich nachzuvollziehen. 10. Speichern Sie die Ergebnisse Ihrer Simulation auf systematische und übersichtliche Weise, um später darauf zurückgreifen zu können.

3.2

Simulationsziele für Eisenguß

3.2.1

Einführung Im folgenden wird eine kurze Einführung gegeben, wie die Simulation genutzt werden kann, um einige der für die Qualität eines Eisengußteils wichtigen Prozeßschritte zu analysieren. Abhängig von der Legierung und dem Qualitätsgrad wird normalerweise eine der folgenden Gießtechniken angewandt: •

Gießen mit kleinen Speisern. Hierbei ist die Graphitausdehnung nicht groß genug, um die gesamte Erstarrungsschrumpfung des Eisens (Austenit) zu kompensieren. Kleine Speiser werden benutzt, um diese verbleibende Schrumpfung zu kompensieren und so für ein fehlerfreies Gußteil zu sorgen. In diesem Fall sollten Sie über die Speiser anschneiden, da dies die Prozeßsicherheit und den Ertrag verbessert.

•

Speiserloses Gießen. Hierbei ist die Graphitausdehnung so groß, daß sie die Schrumpfung des erstarrenden Eisens (Austenit) kompensieren kann. In diesem Fall ist es von Bedeutung, daß das flüssige Metall im Angußsystem die Flüssigkontraktion im Eisengußteil kompensieren kann. Diese Gießtechnik ist relativ selten.

•

Im dritten Fall schrumpft die Eisenlegierung gegen Ende des Erstarrungsintervalls stark. Dies führt zu einem Bedarf an Speisung während des gesamten Erstarrungsvorgangs. Es müssen Speiser verwendet werden, deren Modul größer als der des Gußteils ist, um eine gerichtete Erstarrung zu erhalten (ähnlich wie bei der Stahl-

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10

guß-Gestaltung). Auch in diesem Fall sollten Sie über die Speiser anschneiden, um die Prozeßsicherheit zu erhöhen und einen höheren Ertrag zu erhalten. 3.2.2

Einleitende Erstarrungssimulation Um die Zahl der zeitaufwendigen Simulationsrechnungen zu begrenzen, sollten Sie sich zunächst auf eine Erstarrungssimulation beschränken. Bevor Sie also die Füllsimulationen, die i.d.R. viel Zeit brauchen, ausführen:

3.2.3

•

simulieren Sie grob nur die Erstarrung, um die Wärmezentren im Gußteil und ihren Modul zu bestimmen,

•

bestimmen Sie mit Hilfe dieser Informationen die Positionen und Größe der Speiser sowie die Positionen der Anschnitte.

Füllsimulation zur Gestaltung des Gießsystems Begrenzen Sie die Füllsimulation auf die Anfangsphase, bis ungefähr 10% des Gußteils gefüllt sind, um das Angußsystem so zu gestalten, daß es während des Füllvorgangs so früh wie möglich mit Metall gefüllt ist. Achten Sie darauf, ob die Gefahr besteht, daß Schlacke mit der Schmelze in die Form fließt. Fahren Sie mit der Analyse fort, indem Sie sicherstellen, daß die Strömungsgeschwindigkeiten nicht zu hoch sind, um Erosion zu vermeiden.

3.2.4

Fortsetzung der Füllsimulation Der gesamte Füllvorgang wird nun simuliert. Das Hauptziel ist es hierbei, die richtige Temperaturverteilung als Anfangsbedingung für die folgende Erstarrungssimulation zu erhalten. Im dritten Fall der großen Speiser (Kap 3.2.1) müssen Sie eine gute Temperaturverteilung im Gußteil nach dem Füllen sicherstellen. Die Wärmezentren müssen sich in den Speisern, nicht im Gußteil befinden. Es ist sehr wichtig, diese Ergebnisse bei der späteren Analyse des Speisungsverhaltens zu verwenden, vor allem wenn kalte Speiser eingesetzt werden.

3.2.5

Detaillierte Erstarrungs- und Speisungssimulation Analysieren Sie nun mehrere Aspekte:

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3.2.6

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•

Ist das Gußteil fehlerfrei? Was zeigen das Speisungskriterium und der thermische Modul ('FEEDMOD')?

•

Sind die Positionen der Speiser korrekt? Verwenden Sie das 'FEEDMOD' – Kriterium oder die Erstarrungszeit, um zu überprüfen, ob die Speiser in kleinstmöglichem Abstand zu den Wärmezentren des Gußteils plaziert wurden.

•

Sind die Speiser zu groß oder zu klein?

•

Müssen weitere Speiser verwendet werden?

Simulation des Phasenübergangs im Festkörper Stellen Sie hier zuerst sicher, ob die metallurgischen Einstellungen korrekt sind. Überprüfen Sie also immer, ob die Größe der simulierten eutektischen Zellen und die Sphärolitendichte, also die Anzahl der Graphitkugeln, mit dem übereinstimmen, was in der Gießerei tatsächlich der Fall ist. Dies begründet sich durch die Unterschiede in der gesamten Verfahrenspraxis zwischen den einzelnen Gießereien.Es ist nicht notwendig, diese Überprüfung für jedes neue Projekt durchzuführen; bei jeder Veränderung der Gießparameter (Rohmaterialien, Legierungselemente, Schmelzebehandlung, Impfung) sollte sie jedoch vorgenommen werden. Es gehört zur guten Simulationspraxis, diese Überprüfung regelmäßig vorzunehmen. Sie sorgt als eine Art Qualitätsprüfung dafür, daß die vorgeschriebenen Schmelzebehandlungsprozeduren in der Gießerei befolgt werden. Stellen Sie also sicher, daß Sie die tatsächlichen Vorgänge in der Gießerei simulieren. Einen Teil hiervon bilden die Daten der benutzten Sand- und Kernmaterialien.

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4

Fallstudie - Bremsscheibe

4.1

Einführung In dieser Fallstudie wird das Gießen einer Bremsscheibe simuliert, die aus Gußeisen mit Lamellengraphit im Disamatic-Verfahren (senkrechte Trennebene der Form) gegossen wird. Sie finden das Projekt auf der CD unter dem Namen "brakedisc".

4.1.1

Anforderungen an das Gußteil und Zielsetzung für die Simulation Die folgende Tabelle enthält einen Überblick, der Ihnen hilft zu verstehen, wie sich aus den Anforderungen an das reale Gußteil die Ziele der Simulation ableiten. Wichtige Anforderungen an das Gußteil Zielsetzung für die Simulation •

Gelenkte Erstarrung zum Speiser hin

•

Temperaturprofil nach Formfüllung soll Plazierung des Speisers unterstützen

•

Gießsystem darf keine Luft ziehen

•

Keine Spritzer

•

Keine hohen Geschwindigkeiten

Disa-Prozeß

•

Größe des Formballens von 225 x 600 x 480 mm (Maschine DISA MK 5A 2013) muß bei Dimensionierung des Gießsystems berücksichtigt werden

Produktivität

•

Gießen in Disa-Form

Lunkerfreiheit / Porenfreies Gußteil

Ruhige Formfüllung:

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4.1.2

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Die Versionen des Projekts Im folgenden erhalten Sie einen kurzen Überblick über die Versionen des Projekts und ihre Reihenfolge. Das Projekt besteht aus drei aufeinander aufbauenden Versionen: •

Die erste Version, 'version_0', enthält schon die komplette Geometrie mit Speisern. Erstarrung und Formfüllung werden berechnet. Vorrangiges Ziel dieser Version ist es, eine gute Formfüllung zu erreichen, dicht zu speisen und herauszufinden, ob eine sauber zum Speiser gerichtete Erstarrung stattfindet. Anderenfalls besteht die Gefahr von isolierten Restschmelzebereichen, die zu Porositäten führen können (Wärmezentren). Es treten auch tatsächlich zwei Wärmezentren auf (Kapitel 4.3.5).

•

In der zweiten Version, 'version_1', werden die Speiser vergrößert. Dadurch wird ein Wärmezentrum beseitigt. Das andere ist zwar kleiner geworden, besteht aber noch. Auch tritt ein neues Problem in Form von Schmelzespritzern auf.

•

In der dritten Version, 'version_2', werden die Positionen der Anschnitte und die Positionen der Speiser geändert, so daß das thermische Zentrum nun im Speiser liegt. Speisung und Erstarrungsrichtung sind nun optimal.

Beachten Sie auch den folgenden Flow Chart.

!

Einen guten Überblick über die wichtigsten Werte und Parameter des gesamten Simulationsprozesses bietet Ihnen der Eintrag 'protocol listing' des 'info' - Menüs im MAGMA-SOFT Hauptmenü. Aufgelistet werden unter anderem: •

Projektdaten

•

Daten zur Definition von Materialien und Wärmeübergängen

•

Netzparameter

•

Aktive Optionen

•

Ergebnisdateien (Tabellen)

•

Daten zur Füll- und Erstarrungssimulation

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4.2

Flow Chart

Optimierung von Speisung und Erstarrung

Version 0: í mit Speisern í Formfüllung í Erstarrung

Version 1: í Vergrößerung der Speiser í Gerichtete Erstarrung

Version 2: í Veränderung der Anschnittposition í Veränderung von Position und Größe der Speiser í Optimierung von Speisung und Erstarrungsrichtung

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4.3

Erste Version

4.3.1

Idee

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Die erste Version, 'version_0' enthält schon die komplette Geometrie mit Speisern. Speisung und Formfüllung werden berechnet. Eine reine Erstarrungssimulation, wie in Kap. 3.2.2 empfohlen, entfällt hier, da eine Bremsscheibe rotationssymmetrisch ist und keine geometrisch bedingten Wärmezentren aufweist. Die Position von rein thermisch bedingten Wärmezentren wird durch die Formfüllung bestimmt. Die vorrangigen Ziele dieser Version sind: •

Gute Formfüllung. Im Fallrohr darf während des Gießens keine Luft gezogen werden. Dies muß bei der Dimensionierung des Gießsystems berücksichtigt werden.

•

Möglichst dichte Speisung

•

Beobachten des Erstarrungsverhaltens (Findet eine sauber zum Speiser gerichtete Erstarrung statt? Treten Wärmezentren auf?)

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4.3.2

Geometrieeingabe

➥

preprocessor

➥

File: LOAD SHEET

Bild 4-1: Geometrie des Gießsystems

Die gesamte Geometrie des Gießsystems wurde direkt im preprocessor eingegeben und existiert als geo-Datei. Hierbei wurden verschiedene Konstruktions- und Manipulationsbefehle eingesetzt: •

Die Scheiben selber wurden als Rotationskörper (ROT SEL) konstruiert.

•

Die Speiser wurden als Kugel-Makros (SET SPH), die Speiserhälse als Polygonzüge (BEGIN LINE) konstruiert.

•

Das Angußsystem (Lauf) ist eine Aneinanderreihung von Trapezen (Polygonzügen)

•

Die Cutbox-Funktion wurde eingesetzt, um Zeit bei der Simulation zu sparen. Der Cutbox-Faktor beträgt 2 (SET CBF). Bitte beachten Sie auch Kapitel 4.2.4 des MAGMASOFT Tutorials, wo der Einsatz einer Cutbox erläutert wird.

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Wie Sie in Bild 4-1 erkennen können, sind die Speiser nicht auf dem Scheitelpunkt der Scheibengeometrie, sondern zum Angußsystem hin konstruiert. Der Sinn dieser Konstruktion besteht darin, eine zu den Speisern gerichtete Erstarrung zu erreichen und ein Abfrieren der Speiser - also ein zu frühes Erstarren von Schmelze zwischen dem Wärmezentrum im Gußteil und Speiser - zu verhindern. Da die Temperatur in den Speisern höher als die höchste Temperatur im Gußteil sein muß, muß der Speisungsweg zu den Speisern immer offen sein. Die beiden "toten Enden" des Laufsystems unterhalb der Scheibengeometrie sollen Schlacke und andere Verunreinigungen auffangen. Beachten Sie dazu auch Kapitel 4.3.5 über die Ergebnisdarstellung zur Formfüllung. Direkt unter dem Inlet werden neun Tracer-Partikel definiert (Ansicht: SELECT POINT ➜ TR), die später während der Füllsimulation erzeugt werden und im postprocessor zur Visualisierung des Strömungs- und Speisungsverhaltens dienen. Beachten Sie bitte auch Kap. 4.3.5. 4.3.3

Vernetzung Bei der Vernetzung wird die 'advanced' - Methode eingesetzt, um das Gußstück und einen Teil des Angußsystems (Materialgruppen 'Cast Alloy', 'Gating' und 'Ingate') gezielt feiner zu vernetzen als den Rest des Gießsystems (Bild 4-2).

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➥ ➥ ➥

enmeshment mesh generation: method advanced ➥ ➥

Bild 4-2: Festlegen der Methoden für die Vernetzung

Im folgenden erhalten Sie eine Übersicht über die Parameter im einzelnen und einen Vergleich zwischen 'standard' und 'advanced'.

'standard' 'accuracy'

x=3

y=3

z=3

'wall thickness'

x=5

y=5

z=2

'element size'

x=5

y=5

z=2

'smoothing'

2

'ratio'

5

Materialgruppen in 'method (standard)' Liste auswählen In 'method (advanced)' Liste übertragen

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'advanced' 'accuracy'

x=5

y=5

z=5

'wall thickness'

x=1,5

y=2

z=2

'element size'

x=1,5

y=2

z=2

'smoothing'

2

'ratio'

5

Beachten Sie vor allem die wesentlich feinere Gliederung durch die 'wall thickness' - und 'element size' - Parameter. Der extrem kleine Wert in x-Richtung berücksichtigt vor allem den Anschnitt ('Ingate'). Es fällt auf, daß die y- und z-Werte dieser Parameter im 'standard' - Modus unterschiedlich, im 'advanced' - Modus dagegen gleich sind; der y-Wert ist von 5 auf 2 verfeinert und dem z-Wert angepaßt worden. Der Grund liegt in der Rotationssymmetrie der im 'advanced' - Modus vernetzten Geometrieteile. Wären diese Werte unterschiedlich, bestünde die Gefahr einer ungleichmäßigen Vernetzung. Der feine z-Wert der 'standard' - Vernetzung berücksichtigt vor allem den kleinen Vorsprung im oberen Bereich des Laufsystems. In Bild 4-3 sehen Sie die Vernetzung der einzelnen Materialgruppen im postprocessor. Wie Sie schon in Bild 4-2 sehen konnten, ist die Materialgruppe 'Gating' im preprocessor in zwei Untergruppen mit den IDs 1 und 2 unterteilt worden. 'Gating 1' wird mit 'standard' vernetzt und ist hier gelb dargestellt, 'Gating 2' wurde mit 'advanced' vernetzt und ist hier rot dargestellt. Grund für die feinere Vernetzung von 'Gating 2' ist die geringe Wandstärke dieses Teils der Geometrie. Da in dieser Version eine gute Formfüllung simuliert werden muß, ist hier eine einwandfreie Vernetzung besonders wichtig.

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➥ ➥ ➥ ➥

postprocessor on enmeshment 3D-Mesh Grid: ➥

➥

Materials: 1 4 5 8 9 10 Grafik-Menü:

➥

➥ Rotate: Z Go

Bild 4-3: Darstellung der vernetzten Geometrie im postprocessor

4.3.4

Simulation Sowohl Formfüllung als auch Erstarrung werden berechnet (simulation ➜ Fenster 'iron casting' ➜ sand mold: calculate filling, calculate solidification). Lauf- und Speisungssystem bauen auf das unterschiedliche Temperaturprofil durch die Formfüllung auf. Es sollte daher durch eine Formfüllungssimulation überprüft werden. Als Materialien wurde für alle Komponenten des Gießsystems GrayIron_200 verwendet, eine typische Graugußlegierung. Formmaterial ist GREEN_SAND, ein GrünsandMaterial. Die Materialien wurden zwar aus der MAGMA Datenbank übernommen und in die Projektdatenbank übertragen. Beachten Sie jedoch, daß die Anfangstemperaturen ('T-Initial') beider Materialien für diese Simulation über die 'parameters' - Schaltfläche 1 modifiziert wird, um sie an das DISA-Verfahren anzupassen . 1

Bitte ignorieren Sie die 'T-liquidus' - und T-solidus' - Werte des Grünsandes.

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➥ ➥ ➥

simulation (...) material definitions ➥ ➥

Materialklassen markieren expand

Bild 4-4: Definieren der Materialien

Sie haben in MAGMAiron die Möglichkeit, die Komposition der Legierung GrayIron_200 zu verändern. Im Datenbank-Fenster 'Iron Composition' (Bild 4-5) können Sie die einzelnen Anteile an der Legierung bestimmen.

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➥ ➥ ➥

simulation (...) material definitions: ➥

➥

Materialklasse Cast Alloy markieren ➥ select data ➥ MAGMAdata... MAGMAdata:

➥

➥ GrayIron_200 ➥ Edit Edit Material: ➥

Edit / Iron Composition

Bild 4-5: Festlegen der Zusammensetzung des Materials GrayIron_200

Da das Gießsystem keinen Kern enthält, muß lediglich ein Wärmeübergangskoeffizient für die Übergänge zwischen den Bestandteilen des Gußstücks und der Form definiert werden. Dieser Wärmeübergangskoeffizient ('TempIron') ist speziell für den Eisenguß gedacht und wurde ebenfalls aus der MAGMA in die Projektdatenbank übernommen. Er ist temperaturabhängig. Bei der Füllsimulation (Bild 4-6) wird der genaueste Lösungsalgorithmus, 'solver 4', verwendet. Beachten Sie, daß die Rechenzeit mit zunehmender Genauigkeit der Berechnung steigt.

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➥ ➥

simulation (...)

➥

filling definitions

Bild 4-6: Definieren der Parameter für die Füllsimulation

Die Formfüllung wird über eine Druckrandbedingung definiert. Das bedeutet, daß der Startdruck der Schmelze über die Zeit direkt unter dem Inlet vorgegeben wird. Wenn Sie die 'pressure' - Option aktivieren, erscheint das Fenster 'pressure definitions' (Bild 4-7), in dem der Druck über die Zeit dargestellt ist.

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➥ ➥ ➥ ➥

simulation (...) filling definitions filling depends on:

➥

➥ pressure pressure definitions

Bild 4-7: Festlegen der Druckrandbedingungen (Darstellen des Drucks über die Zeit)

Die Kurve steigt zunächst an, da die Gießleistung anfänglich zunimmt. Die in das Gußteil einlaufende Schmelze baut jedoch einen Gegendruck auf. Wenn der Gießtümpel einen hohen Stand erreicht hat, muß daher die Gießleistung erst reduziert werden und dann konstant bleiben, um den Gießspiegel zu halten. Dieses Vorgehen wird im Fenster 'pressure definitions' durch die Absenkung der Kurve nach 0,4 Sekunden und die anschließende Parallelität zur x-Achse deutlich. Bei der Betrachtung der Ergebnisdateien ('storing data' / 'percent') fällt auf, daß die Intervalle, in denen die Dateien geschrieben werden sollen, sehr eng gewählt sind. Während der ersten 10% der Formfüllung werden zehn Ergebnisdateien, also pro Prozent eine Datei, geschrieben. Wie schon in Kapitel 3.2.3 erwähnt, dient diese Vorgehensweise dazu, möglichst rasch Ergebnisse über das Füllverhalten im Angußsystem zu erhalten und dessen Design gegebenenfalls zu ändern. 'solidification definitions' In dieser ersten Version sind nur Porositäten, nicht aber das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von Interesse. Daher muß die eutektoide Umwandlung noch nicht berücksichtigt werden. Diese ist erst in der dritten Version von Interesse (Kapitel 4.5.4, Seite 41).

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Als Parameter für den Abbruch der Simulation ('stop simulation') wurde nicht 'automatic' gewählt, da die Simulation in diesem Fall bei Erreichen der Solidus-Temperatur aus der Datenbank (hier 1149°C) abgebrochen würde. Die tatsächliche Solidus-Temperatur in MAGMAiron wird jedoch berechnet abhängig von der Schmelzezusammensetzung und dem davon abhängigen jeweiligen Seigerungszustand der Schmelze. Daher sollte die Abbruchtemperatur sicherheitshalber bei 1100°C oder darunter liegen (Bild 4-8). Um die Anzahl der Ergebnisdateien während der Erstarrungssimulation individuell beeinflussen zu können, wurde als Option für die Datensicherung ('storing data') 'percent' gewählt. Die Zeitschritte zwischen der Erstellung der einzelnen Ergebnisdateien betragen bis 70% zehn, ab 70% fünf Prozent. Die dichtere Anordnung gegen Ende der Simulation dient der möglichst genauen Beobachtung von isolierten Restschmelze-Bereichen.

➥ ➥

simulation (...)

➥

solidfication definitions

Bild 4-8: Definieren der Parameter für die Erstarrungssimulation

Auch hier wird wieder der genaueste Lösungsalgorithmus zur Überprüfiung, 'solver 4', verwendet, da das Gießsystem sorgfältig überprüft werden muß.

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Der Wert für die Berechnung der Nachspeisung ('feeding effectivity') liegt bei 100%. Dies ist der Standardwert in MAGMAiron. 'iron casting' Bevor nun die Simulation gestartet wird, müssen noch einige eisengußspezifische Einstellungen vorgenommen werden, die im Fenster 'iron casting' (Bild 4-9) zusammengefaßt sind: •

Der Parameter 'inoculation method' legt die Keimdichte der Schmelze fest. Dies ist für die spätere Berechnung des Gefüges wichtig. Die ungefähre Qualitätsangabe, hier 'good', wird durch den Prozentwert des folgenden Eintrags 'treatment yield' konkretisiert. '100%' bedeutet, daß 100% des unter 'inoculation method' gewählten Eintrages, also 'good', aktiv sind.

•

Das Formverhalten während der Simulation wird durch den Eintrag 'mold dilatation' simuliert. Da es sich hier um eine beim Disamatic-Prozess übliche hochverdichtete Grünsandform handelt, wird der Eintrag 'stable mold' gewählt.

•

Der Grad der Graphitausscheidung wird durch den Parameter 'graphite precipitation' festgelegt. Beim Grauguß ist '8' ist ein üblicher Richtwert. Dieser wird auch hier verwendet.

•

Die Option 'consider water content' ist aktiviert ('yes'). Dies bedeutet, daß der Wassergehalt des Grünsandes für die im Sand stattfindenden Verdampfungsvorgänge berücksichtigt wird. (Falls Sie hier 'No' wählen, wird die Kühlwirkung über den spezifischen Wärmeinhalt berücksichtigt).

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➥ ➥

simulation (...)

➥

iron casting

Bild 4-9: Definieren der eisenspezifischen Einstellungen

4.3.5

Ergebnisse Betrachten Sie zuerst die Ergebnisse der Füllsimulation, um herauszufinden, ob die Schmelze ruhig und gleichmäßig fließt. Dazu eignet sich eine Ergebnisdarstellung, die die Fließgeschwindigkeiten anzeigt. Um einen generellen Überblick über die Fließwege der Schmelze zu erhalten, können Sie sich mit der Option 'Fill Tracer' aus dem Anfangsmenü des postprocessors die bei der Geometriemodellierung definierten Tracer-Partikel und deren Verlauf über die Zeit anzeigen lassen. An dieser Stelle werden jedoch Füllergebnisse betrachtet, um konkret die Fließgeschwindigkeit zu prüfen. Diese sollte nicht höher als rund ein Meter pro Sekunde sein. Bei höheren Fließgeschwindigkeiten besteht die Gefahr, daß die Form durch Sanderosion beschädigt wird. Die Schmelze sollte keine Luft ziehen und nicht spritzen, da sonst die Gefahr von Einschlüssen und Oxidhäuten besteht.

28

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➥ ➥ ➥

postprocessor on enmeshment 3D-Results ➥

➥

Materials: 1 4 5 8 9 10 ➥ Results: Filling / F_sha_012 ➥ Accept Grafik-Menü / Settings:

➥

➥ Velocity: Color ➥ X-Ray: Filled ➥ User Scale: 0 200 Go

Bild 4-10: Darstellen der Fließgeschwindigkeiten bei 25% Füllung

In Bild 4-10, das das Gußteil und das Laufsystem zu einem frühen Zeitpunkt zeigt (25% gefüllt), sehen Sie, daß das Laufsystem richtig konstruiert wurde. Das Laufsystem zieht keine Luft und ist vollständig gefüllt; die Fließgeschwindigkeit ist niedrig. Das "tote Ende" unterhalb des senkrechten Teils des Laufsystems fängt die kritische Anfangsschmelze mit Verunreinigungen auf (Schlackenlauf). Bild 4-11 zeigt die gleichen Ergebnisse zu einem späteren Zeitpunkt (45% gefüllt). Hier ist gut zu sehen, daß im Gußteil eine ruhige und gleichmäßige Schmelzefront aufgebaut wird. Die hohen Anfangsgeschwindigkeiten werden vom Laufsystem vollständig abgefangen.

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➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 8 9 10 ➥ Results: Filling / F_sha_016 ➥ Accept Graphics menu / Settings: ➥ ➥ ➥

➥

Velocity: Color X-Ray: Filled User Scale: 0 200

Go

Bild 4-11: Darstellen der Fließgeschwindigkeiten bei 45% Füllung

Bild 4-12 zeigt die Temperaturverteilung während der Formfüllung (95% gefüllt). Die bisherigen Ergebnisse werden hier bestätigt: •

Es treten keine Kaltläufe auf.

•

Das Temperaturprofil wird zum Speiser hin aufgebaut.

30

MAGMAIRON TUTORIAL

➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 8 9 10 ➥ Results: Filling / F_sha_026 ➥ Accept Graphics menu / Settings: ➥ ➥

➥

X-Ray: Filled User Scale: 1156 1400

Go

Bild 4-12: Darstellung der Formfüllung (Temperaturen) bei 95% Füllung

Während der Erstarrungssimulation mit MAGMAiron werden zusätzlich zu den Erstarrungsergebnissen automatisch auch sogenannte Fraction-Liquid-Ergebnisse erzeugt, die ebenfalls zur Analyse der Erstarrung dienen. Die entsprechenden Ergebnisdateien sind durch das Kürzel "FL" gekennzeichnet. Sie werden unter '3D-Results' ➜ 'Results' ➜ 'Solid_Criterion' aufgelistet und zeigen den Teil der Schmelze an, der noch flüssig ist. Sie können sich so potentielle Wärmezentren, die zu Porositäten führen können, anzeigen lassen. Fraction-Liquid-Ergebnisse werden hier anstelle der Temperaturergebnisse bevorzugt, da die Solidus-Temperatur während der Erstarrungssimulation Schwankungen unterliegt (s.a. Kapitel 4.3.4). Daher macht die Darstellung fixer Liquidus- und SolidusTemperaturen keinen Sinn. Bild 4-13 zeigt das letzte erzeugte Fraction-Liquid-Ergebnis an; die Schmelze ist zu rund 90% erstarrt. Wie Sie sehen, wurde der Speiser zwar richtig plaziert, es befinden sich jedoch auch Wärmezentren innerhalb des Gußteils.

MAGMAIRON TUTORIAL

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➥ ➥ ➥


➥

➥

Materials: 1 4 5 8 9 10 ➥ Results: Solid_Criterion / FL_9.90 ➥ Accept Grafik-Menü / Settings: ➥ X-Ray: On / 10 100 ➥ User Scale: 10 90 ➥ Rotate: um z-Achse Go

Bild 4-13: Darstellen des Anteils flüssiger Schmelze bei 90% Erstarrung

Um herauszufinden, ob sich in diesen Bereichen tatsächlich Wärmezentren befinden, können Sie sich mit der Ergebnisart 'FEEDMOD' ('3D-Results' ➜ 'Results' ➜ 'Solid_Criterion') die lokalen thermischen Verhältnisse anzeigen lassen (Bild 4-14). Bei 'FEEDMOD' handelt es sich um einen thermischen Modul, der zur Bewertung von Speisungsproblemen entwickelt wurde. Die Speisungswege sind hier nicht als Erstarrungszeiten, sondern als charakteristische Dimensionen gegeben. Die Einheit für 'FEEDMOD' ist cm (0,01m).

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➥ ➥ ➥

postprocessor on enmeshment 3D-Results ➥ ➥

➥

Materials: 1 4 5 Results: Solid_Criterion / FEEDMOD ➥ Accept Grafik-Menü / Settings: ➥

User Scale: 0.254 0.717 Slice: X Rotate: Z

➥

➥ ➥ Go

➥

(Continue)

Bild 4-14: Darstellen der thermischen Verhältnisse (FEEDMOD)

Wie Sie sehen, befinden sich in den beiden schon vorher festgestellten kritischen Bereichen im Gußteil tatsächlich Wärmezentren. Dies wird auch durch ein Speisungsergebnis bestätigt (Bild 4-15). Die Wärmezentren führen zu Porositäten in den kritischen Bereichen.

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➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 Results: Solid_Criterion / FEEDING ➥ Accept Grafik-Menü / Settings: ➥

User Scale: 98 99.99 Slice: X Rotate: Z

➥

➥ ➥ Go

➥

(Continue)

Bild 4-15: Darstellen der Speisung im Gußteil (FEEDING)

4.3.6

Fazit Es befinden sich zwei Wärmezentren im Gußteil, die beseitigt werden müssen. In der folgenden Version des Projektes wird der Prozeß lediglich optimiert, nicht grundsätzlich verändert. Es werden Maßnahmen getroffen, um die festgestellten Wärmezentren zu beseitigen.

34

4.4

Zweite Version

4.4.1

Idee

MAGMAIRON TUTORIAL

Wie Sie in (Bild 4-14) sehen können, existieren im Gußteil zwei Wärmezentren. Dies bedeutet, daß ein erhöhter Speisungsbedarf besteht. In der zweiten Version werden daher die Speiser vergrößert. 4.4.2

Geometrieeingabe und Vernetzung Die einzige Veränderung der Geometrie gegenüber der ersten Version besteht in der Vergrößerung der Speiser (SCALE SEL). Diese ist im preprocessor allerdings nicht auffällig und deutlich zu sehen. Um sich von Version zu Version die genauen Unterschiede von Volumina und Massen der einzelnen Geometrieelemente anzeigen zu lassen, ist es von Vorteil, sich des 'info' - Menüs der Hauptoberfläche von MAGMAiron zu bedienen. Nach Aufruf des Untermenüs 'material properties' erscheint das Fenster 'online information' (Bild 4-16). Sie sehen hier, daß die Speiser ('Feeder') ein Gesamtvolumen von 0,27613 Litern haben. In der ersten Version betrug dieses Gesamtvolumen noch 0,17109 Liter, also deutlich weniger. Auch die Volumina der Speiserhälse ('Feederneck') sind nun größer.

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➥ ➥

info material properties ➥

Fenster 'online information

Bild 4-16: Auflisten der Volumina und anderer Informationen zum Gießsystem

!

Weitere Informationen zu Volumina, Massen und Speisung können Sie den 'info' - Untermenüs 'casting properties' und 'feeding characteristics' entnehmen. Die Vernetzung erfolgt mit den Parametern der ersten Version.

4.4.3

Simulation Die Simulation erfolgt wie in der ersten Version. Die Simulationsparameter werden nicht verändert.

4.4.4

Ergebnisse Zunächst wird wieder ein Füllergebnis betrachtet. Bild 4-17 zeigt das Temperaturprofil bei 50% Füllung. Die Temperaturverteilung sieht gut aus.

36

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➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 8 9 10 ➥ Results: Filling / F_sha_018 ➥ Accept Grafik-Menü / Settings: ➥ ➥

➥

➥ Go

X-Ray: Filled User Scale: 1156 1400 Rotate: Z

Bild 4-17: Darstellen der Füllung (50%)

Um zu beobachten, ob das thermische Zentrum gespeist werden kann (welche Wirkung die Vergrößerung der Speiser also nach sich zieht), eignet sich hier wiederum das 'FEEDMOD' - Kriterium (Bild 4-18). Es ist deutlich zu sehen, daß sich die kritischen Stellen, an denen in der ersten Version Wärmezentren entstanden, geändert haben. Das Wärmezentrum unterhalb des Speisers ist durch die Vergrößerung des Speisers verschwunden. Der Speisungsweg ist hier also deutlich verbessert worden. Das zweite Wärmezentrum unterhalb des Loches der Bremsscheibe ist deutlich kleiner geworden.

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➥ ➥ ➥


➥


➥ ➥


➥ ➥ Go (Continue)

Bild 4-18: Darstellen der thermischen Verhältnisse (FEEDMOD)

Die Darstellung der Porositäten (Ergebnisart 'POROSITY', Bild 4-19) bestätigt dies. Lediglich im Speiser sind Porositäten zu sehen. Die Reduzierung der Wärmezentren führt zur Reduktion der Porositäten.

38

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➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 Results: Solid_Criterion / POROSITY ➥ Accept Grafik-Menü / Settings:

➥

➥ User Scale: 0 0.1 ➥ Slice: X ➥ Rotate: Z Go

➥

(Continue)

Bild 4-19: Darstellung der Porositäten ('POROSITY')

4.4.5

Fazit Es ist eine weitere Optimierung des Gießsystems erforderlich, da noch ein Wärmezentrum existiert, Speisung und Erstarrung also noch nicht optimal erfolgen. Das thermische Zentrum des Gießsystems muß komplett in den Speisern liegen. Die erforderlichen Schritte werden in der dritten Version des Projektes vorgenommen.

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4.5

Dritte Version

4.5.1

Idee

39

Um die in der zweiten Version festgestellten Probleme zu beseitigen, das Wärmezentrum vollständig in den Speiser zu verlegen und eine einwandfrei gerichtete Erstarrung zu erreichen, werden nochmals Änderungen an der Geometrie vorgenommen. Der Anschnitt wird verschoben und die Position der Speiser verändert. 4.5.2

Geometrieeingabe und Vernetzung Bild 4-20 zeigt die Geometrie des Gießsystems in allen vier Ansichten des preprocessors.

Bild 4-20: Geometrie des Gießsystems

➥

preprocessor

➥

File / LOAD SHEET

40

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Um die Änderungen gegenüber der Vorversion deutlich zu machen, sind in Bild 4-21 neben dem Gußstück lediglich die Materialgruppen zu sehen, an denen Änderungen vorgenommen wurden, nämlich 'GATING' und 'FEEDER'. Auch wird hier die VollbildAnsicht eines der vier Konstruktionsfenster gewählt, um die Geometrieteile möglichst groß darzustellen.

➥ ➥ ➥ ➥

preprocessor File / LOAD SHEET SHOW MAT 1 12 19 Views: ➥ ➥

Bild 4-21: Darstellung einzelner Materialgruppen

Es ist deutlich zu sehen, daß der Anschnitt jetzt direkt in die Speiser und den speisernahen Bereich des Gußstücks hineinragt. Dadurch sollen die Speisungswege verbessert werden, so daß sich die Wärmezentren schließlich in den Speisern befinden. Auch sind die Speiser mit der 'SWEEP' - Funktion um das Gußstück herum in die Länge gezogen. An ihr zweites Ende ist eine zweite Kugel ('SET SPH') konstruiert worden (vgl. Kapitel 4.3.2). Auch dies dient dazu, das thermische Zentrum nunmehr komplett in die Speiser zu verlegen. Das Volumen der Speiser beträgt 0,47185 Liter, wie dem 'material properties' - Menü zu entnehmen ist. Die anderen Teile der Geometrie bleiben unverändert.

AUTOFIT ON VIEW 1

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4.5.3

41

Vernetzung Da nunmehr die finale Simulation vorgenommen wird, wird der Wert für 'element size' und 'wall thickness' in z-Richtung von 2 auf 1.5 geändert. Diese Verfeinerung ist vor allem für den Schmelzefluß am Inlet relevant, der in z-Richtung erfolgt. Die anderen Einstellungen der Vernetzung bleiben unverändert.

4.5.4

Simulation Die Simulation erfolgt wie in der ersten Version. Da das Laufsystem, wie in Bild 4-10 zu sehen ist, richtig konstruiert wurde, werden die Druckrandbedingungen nicht verändert. Es gibt lediglich zwei Unterschiede:

4.5.5

•

Füllsimulation: Die Ergebnisdateien ('filling definitions' ➜ 'storing data / percent' ➜ 'storing data definitions') werden nunmehr von Anfang an in 5% - Abständen geschrieben. Die sehr genaue Ergebnisse erzeugenden 1% - Abstände aus der ersten Version sind hier nicht mehr nötig.

•

Erstarrungssimulation: In dieser Version sind in erster Linie nicht die Porositäten, sondern das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von Interesse. Daher liegt die Abbruchtemperatur hier bei 650°C, da sie deutlich unterhalb der eutektoiden Umwandlung (rund 720°C) liegen muß ('stop simulation / temperature').

Ergebnisse Um zu prüfen, ob die Erstarrungsrichtung nunmehr optimiert ist und sich tatsächlich nur noch ein Wärmezentrum in den Speisern befindet, ist es sinnvoll, sich wiederum das 'FEEDMOD' - Kriterium anzeigen zu lassen. In Bild 4-22 sehen Sie, daß die Wärmezentren im Gußteil nunmehr verschwunden sind. Es findet eine sauber in den Speiser gerichtete Erstarrung statt. Das Simulationsziel ist damit erreicht.

42

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➥ ➥ ➥


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➥

➥ ➥ Go

➥

(Continue)

Bild 4-22: Darstellen der thermischen Verhältnisse im Gußteil (FEEDMOD)

Es ist jetzt sinnvoll, sich einige zusätzliche eisenspezifische Ergebnisse anzeigen zu lassen. In Bild 4-23 sehen Sie eine Darstellung der Größe der eutektischen Zellen in Gußteil und Speiser. Ihre charakteristische Ausdehnung wird in Millimetern dargestellt. Die Größe der eutektischen Zellen ist gekoppelt an die Erstarrungszeit: Je länger die Schmelze erstarrt, desto größer werden die Zellen.

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43

➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 Results: Solid_Criterion / EUT_CELL_SIZE ➥ Accept Grafik-Menü / Settings: ➥


➥

➥ ➥ Go

➥

(Continue)

Bild 4-23: Darstellen der Größe der eutektischen Zellen

Die Darstellung der eutektischen Zellen bestätigt das Ergebnis des 'FEEDMOD' - Kriteriums. Auch hier ist ein sauberer Erstarrungsweg zum Speiser hin zu erkennen. In den beiden folgenden Bildern sind die Zugfestigkeit (Bild 4-24) und die Brinell-Härte (Bild 4-25) dargestellt.

44

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➥ ➥ ➥


Bild 4-24: Darstellen der Zugfestigkeit

➥

Materials: 1 4 5 Results: Solid_Criterion / MIN_TENSILE ➥ Accept Grafik-Menü / Settings:

➥

➥ User Scale: 240 260 ➥ Slice: X ➥ Rotate: Z Go

➥

(Continue)

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45

➥ ➥ ➥


➥

Materials: 1 4 5 Results: Solid_Criterion / HB_PEARLITIC ➥ Accept Grafik-Menü / Settings:

➥

➥ User Scale: 203 215 ➥ Slice: X ➥ Rotate: Z Go

➥

(Continue)

Bild 4-25: Darstellen der Brinell-Härte

Die jeweiligen Werte sind auch hier „gerichtet“. Sie nehmen in Richtung des Speisers ab, in Speisernähe durch Seigerungseffekte jedoch wieder zu.

4.5.6

Fazit Durch die in der dritten Version vorgenommenen Änderungen werden die Simulationsziele erreicht: •

Ruhige Formfüllung

•

Gerichtete Erstarrung zu den Speisern hin

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46

5

Die Einsatzmöglichkeiten von MAGMAiron

5.1

Überblick Mit MAGMAiron können Sie das Gießen sämtlicher gängigen Eisengußteile (Grauguß, Sphäroguß) simulieren, zum Beispiel:

5.2

Ø

Motorblöcke, Zylinderkurbelgehäuse

Ø

Bremssättel

Ø

Bremsscheiben

Ø

Radnaben für Windräder

Ø

Maschinenbetten

Ø

Kanaldeckel

Ø

Hydranten

Ø

Kurbelwellen

Ø

Großmotoren, z.B. Schiffsdiesel

Ø

Die meisten Fahrwerksteile

Ø

Schiffsaufbauten

Simulation von Sphäroguß - Beispiel Ein Beispiel für Sphäroguß ist die numerische Simulation einer neuen Gießtechnik für einen Kipphebel. Speisungsbedingungen und Ausbringen werden dabei verbessert sowie

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47

die Anzahl und somit die Kosten für exotherme Speisereinsätze und Filter reduziert. Dies wird im folgenden kurz vorgestellt:

5.2.1

•

Zunächst werden einige konservative Änderungen am bisherigen Gießsystem vorgenommen. Unter anderem werden Kühlkokillen eingesetzt.

•

In einem zweiten Änderungsschritt wird eine vollständig neue Gießtechnik angewandt. Das Speisungssystem ist komplett geändert. Es werden keine Kühlkokillen eingesetzt. Zwei exotherme Minispeiser kommen zum Einsatz.

Auslegen des Gießsystems Bei der bisherigen Fertigungstechnik waren die Speisungsbedingungen gegenüber Fertigungsschwankungen nicht robust genug. Es traten in einem Arm des Kipphebels Porositäten auf. Bei der Formfüllung wurde Dross festgestellt. Die Auslegung des Gießsystems wies hohe Fertigungskosten für exotherme Speisereinsätze und Filter auf. Das Ausbringen war nicht zufriedenstellend.

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Fakten zum ursprünglichen Gießsystem: • 4 Anschnitte und 4 Filter • 5 exotherme Speiser • Ausbringen: 50% Fakten zur Form und Kern: • Sand: Naßgußsand • Sandtemperatur: 25 °C • Coldbox-Kern • Schlichte: Arkopal 6408 HA Fakten zur Schmelze: • Legierung: VL63M • Behandlung: Tundish Cover • 180 s zwischen Behandlung und Gießen • Impfmittel: 0.4% Superseed • Behandlung: zwischen Tundish Cover und Pfanne

Bild 5-1: Ursprüngliches Gießsystem

Bild 5-1 zeigt das Layout des Gießsystems, bevor die neue Gießtechnik zum Einsatz kommt.

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Fakten zur ersten Änderung: • Einsatz von Kühlkokillen • Reduzierte Anzahl von Speisern Vorteil: • Kein vollständig neues Modell Nachteil: • Keine entscheidende Reduzierung der Porositäten • Ungünstige Formfüllung wird nicht berücksichtigt

Bild 5-2: Gießsystem mit konservativen Änderungen

Bild 5-2 zeigt ein geändertes Layout mit konservativen Änderungen. Die Nutzung von Kühlkokillen (hellblau) und Speisern (rot) soll hohe Gradienten und damit eine gerichtete Erstarrung sicherstellen.

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Fakten zur zweiten Änderung: • Wegnahme der Kühlkokillen • Wegnahme der Filter • Einsatz eines Heine-Speisers • Nur zwei exotherme Speiser werden beibehalten Vorteile: • Ruhige Formfüllung • Keine Porositäten (dichtes Gußteil) • Keine Kosten für Filter • Ausbringen auf 65% verbessert • Reduktion der Speisereinsätze • Reduktion der Fertigungskosten

Bild 5-3: Optimiertes Gießsystem

Bild 5-3 schließlich zeigt das Gießsystem in seiner optimierten Version. Das Gußteil wird durch einen Heine-Speiser angeschnitten. Die Kühlkokillen werden nicht benötigt. Zwei exotherme Minispeiser werden beibehalten. 5.2.2

Ergebnisse Exemplarisch für die Ergebnisdarstellung wird hier das Speisungsverhalten gezeigt. Es werden Bilder von 'FEEDING' – Ergebnissen aller Versionen miteinander verglichen. (Auch die an dieser Stelle nicht gezeigten Ergebnisse der Formfüllung machen Mängel am alten und am konservativ geänderten Gießsystem deutlich. So werden z.B. zu hohe Fließgeschwindigkeiten an den Anschnitte sichtbar).

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Bild 5-4: Speisungsverhalten im ursprünglichen Gießsystem

Bild 5-4 zeigt ein 'FEEDING' – Ergebnis der ersten Version (ursprünglicher Zustand). Es sind Porositäten in einem Arm des Kipphebels zu erkennen.

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Bild 5-5: Speisungsverhalten im Gießsystem nach erster Änderung

Bild 5-5 zeigt ein 'FEEDING' – Ergebnis, nachdem das Gießsystem mit den konservativen Änderungen simuliert wurde. Sie sehen deutlich, daß die Änderung der Speiser und der Einsatz der Kühlkokillen keine entscheidende Verbesserung bringt; auch hier sind deutliche Porositäten zu sehen

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Bild 5-6: Speisungsverhalten im optimierten Gießsystem

Bild 5-6 schließlich zeigt das Speisungverhalten nach Anbringen der neuen Gießtechnik. Es sind keine Porositäten zu erkennen; die Erstarrung ist optimal gerichtet und garantiert so ein fehlerfreies Gußteil. 5.2.3

Fazit Die Vorteile der neuen Gießtechnik sind offensichtlich: •

Die Porositätsneigung wurde abgestellt und es wurde lunkerfrei gegossen.

•

Die Fertigungskosten wurden deutlich reduziert; es werden keine Filter mehr benötigt und die Zahl der Speisereinsätze wurde reduziert.

•

Das Ausbringen wurde verbessert.

Die Simulation unterstützt hier also konkret die Lösung von Qualitätsproblemen für einen Kipphebel. Sie konnte zeigen, daß die konservativen Änderungen der Gießtechnik nicht zum Ziel führen. Mit der neuen Gießtechnik hingegen konnte ein robuster Verfahrensablauf sichergestellt werden, der fehlerfreie Gußteile ermöglicht und gleichzeitig die Fertigungskosten reduziert.

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5.2.4

Für Sphäroguß wichtige Ergebnisse Um die Vorhersage von Gefügen und mechanischen Eigenschaften beim Sphäroguß zu ermöglichen, bietet Ihnen MAGMAiron die folgenden Ergebnisarten, die Sie sich immer im postprocessor anzeigen lassen sollten: •

Anzahl der Sphäroliten ('NODULE COUNT')

•

Perlitverteilung ('PEARLITE')

•

Härte ('HARDNESS')

•

Bruchdehnung ('MIN_ELONGATION')

•

Minimale Zugfestigkeit ('MIN_TENSILE')

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6

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Publikationen Ø

John Campbell, Castings, Butterworth-Heinemann, Oxford 1991, ISBN 0-7506-16962

Ø

Stephan Hasse (Hg), Giesserei-Lexikon, Schiele & Schöne, Berlin 1997, ISBN 37949-0606-3

Ø

ASM Handbücher: Ø

ASM Handbook - Volume 15: Casting, ISBN 0-87170-021-2

Ø

Joseph R. Davis (Hg.), Metals Handbook, 1998, ISBN 0-87170-654-7

Ø

American Foundrymen´s Society (AFS; Hg.), Ductile Iron Handbook, AFS, Des Plaines 1993, ISBN 0-87433-124-2

Ø

J.R. Davis (Hg), ASM Handbook - Cast Irons, ASM International, Materials Park 1996, ISBN 0-87170-564-8

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Eigene Notizen

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Eigene Notizen

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