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Instituto Nacionalde Tecnología Industrial
Simulación Computacional en Tecnología de la Fundición - Inyeccion Aluminio - Gravedad PAM-QuikCast – ESI-group (Francia)
“Colada por gravedad – ferrosos y no ferrosos”
Disertantes: Lic. Julieta Brignone - ESI-Group Dr. Raul Mingo - INTI-Mecánica
Diego Lorenzo - INTI-Mecánica
Centro de Invetsigación y Desarrollo en Mecánica
•7 Diciembre 2004
Agenda
Simulación Computacional
1. Objetivos
3. Prestaciones adicionales
2. Ejemplo de aplicación
2.1 Preparación del modelo
2.2 Cálculo: Llenado + Solidificación
2.3 Resultados
1.
OBJETIVOS
Obtener una visión general del procedimiento seguido para simular un proceso de fundición
Presentar e interpretar los resultados obtenidos
Conocer las prestaciones adicionales que provee el programa
2.
EJEMPLO DE APLICACIÓN
Los pasos a seguir en el modelado de un proceso de fundición son, a grandes rasgos, similares en los distintos programas de simulación y se pueden resumir en los siguientes puntos
• Creación del modelo de la pieza y el molde
• Selección de los materiales y sus propiedades
• Mallado del modelo/ Corrida de la simulación
• Evaluación de los resultados
• Modificar y volver a simular
A fines ilustrativos se presenta a continuación el procedimiento a seguir para trabajar con el programa PAM-QUIKCAST®
2.1
PREPARACIÓN DEL MODELO
1) Crear un nuevo estudio
2) Importar el archivo PMF
3) Especificar la aleación y el material del molde
2.1.1 PREPARACIÓN DEL MODELO
1) Crear un nuevo estudio
File / New
Define el nombre del nuevo estudio
Muestra la versión utilizada
Define el directorio que contendrá el archivo del estudio
Permite al usuario seleccionar la ubicación del directorio
2.1.2 PREPARACIÓN DEL MODELO
2) Importar el archivo PMF
Un archivo PMF (Pam Model File) es aquel que contiene los datos correspondientes a la geometría y el mallado.
Haciendo clic en este botón se abre el cuadro de diálogos para seleccionar el archivo.
2.1.3 PREPARACIÓN DEL MODELO
El modelo seleccionado es el siguiente
Modelo exhibido con las caras sombreadas y sin bordes.Modelo exhibido con el mallado discreto del color correspondiente a cada elemento
2.1.4 PREPARACIÓN DEL MODELO
3) Especificar la aleación y el material del molde
Como primer paso hay que verificar que tanto la aleación como el material del molde se encuentren en la base de datos del programa y verificar que las propiedades termofísicas sean las correctas.
Material Database / Alloy Material / Properties
2.1.5 PREPARACIÓN DEL MODELO
Material Database / Mold material / Properties
2.1.6 PREPARACIÓN DEL MODELO
Para definir la aleación a utilizar en la colada y el material del molde, se sigue la secuencia:
Model / Domains / Volume Domains
Luego hacer clic en el botón Materials. Esto abre la base de datos de materiales. Se puede seleccionar entre aleación y molde de acuerdo al dominio de volumen que se considere.
Seleccionar el dominio de volumen, por ejemplo, VINLET.
2.2
CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
1) Ingreso de Datos
Condiciones de borde
Parámetros de solidificación
Gravedad
2) Parámetros de salida
3) Comienzo del cálculo
2.2.1 CALCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
1) Ingreso de Datos: Condiciones de borde
Process / Input Data Check
2.2.2 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
a) Hydraulic Conditions
(Condiciones Hidráulicas)
Pressure
Velocity
Piston
Initial Fluid
Permeability
Air Venting
Filter
Ceramic Foam Filter
Surface Roughness
b) Thermal Conditions
(Condiciones Térmicas)
Temperature
External Exchange
Implicit Mold
Die Coating
Thermal Coefficients
Exothermic Material
Extended Surfaces
Cooling
Die Spray
Mold Opening
2.2.3 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
En el caso de una colada por gravedad, las condiciones de borde básicas a utilizar son:
a) Hydraulic Conditions
(Condiciones Hidráulicas)
Pressure
Initial Fluid
Permeability
b) Thermal Conditions
(Condiciones Térmicas)
Temperature
External Exchange
Die Coating
Para crear, modificar o eliminar cualquiera de las condiciones de borde presentadas, hacer clic con el botón derecho del mouse sobre la condición deseada y luego seleccionar la opción “Add”, “Modify” o “Delete”, según corresponda.
2.2.4 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
PRESSURE
Define el nombre de la condición de borde
Permite considerar una presión constante o función del tiempo
Selecciona el objeto al cual se le aplicará la presión. Por lo general se trata de superficies
2.2.5 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
En una colada por gravedad, en general, es necesario definir al menos dos presiones:
Presión de colada (Pouring Pressure). P = .g.h
Presión de referencia (Reference Pressure). P = 0
2.2.6 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Presión de Colada
2.2.7 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Presión de Referencia
2.2.8 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
INITIAL FLUID
Esta condición de borde se utiliza durante la secuencia de llenado. Representa el volumen que siempre contiene metal durante la fase de llenado, alimentando al resto de la cavidad.
En una aplicación de colada por gravedad, la cavidad se llena a través de una corriente de metal. Por lo tanto, es necesario modelar un cilindro o cubo que represente la llegada del metal al basin. Es necesario aplicar condiciones de borde de presión o velocidad a las superficies pertenecientes a este volumen de modo de activar el flujo del metal y llenar la cavidad.
“Si esta condición de borde no está presente, el cálculo del llenado nunca comenzará”
2.2.9 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Define el nombre de la condición de borde
Especifica el porcentaje de fluido contenido en el volumen seleccionado
Selecciona el volumen al cual se le aplicará la condición.
Condición:
• Impuesta: el volumen de entrada se mantiene lleno durante toda la colada.
•Inicial: Se utiliza cuando se trabaja con moldes inicialmente (parcialmente) llenos.
2.2.10 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.11 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
PERMEABILITY
Esta condición de borde se utiliza para modelar el flujo del aire dentro de la cavidad, es decir, simula el escape del aire a través del material poroso del molde (ej. Arena).
Hay que tener en cuenta que:
Si no se impone esta condición de borde, el aire no podrá escapar, y por lo tanto, se detendrá el llenado del molde.
La permeabilidad se aplica a aquellas superficies que representan la frontera entre el molde y el metal.
2.2.12 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Permeability GF: Valor de la permeabilidad dada por el índice George Fisher.
Average mold thickness: Espesor promedio del molde. Este es inversamente proporcional a la permeabilidad de la arena.
2.2.13 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
TEMPERATURE
Esta condición de borde se utiliza para definir la temperatura relacionada al proceso durante las secuencias de llenado y solidificación.
Define el nombre de la condición de borde
Permite considerar una temperatura constante o función del tiempo
Selecciona el objeto al cual se le aplicará la temperatura. Por lo general se trata de volúmenes.
Condición:
• Impuesta: la temperatura será impuesta durante un período o secuencia (llenado, solidificación o ambos).
•Inicial: la temperatura será inicializada al comienzo de una secuencia (llenado, solidificación o ambos).
Permite definir en que fase se aplica la temperatura (llenado o solidificación o ambas)
2.2.14 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Temperatura de Colada
2.2.15 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Temperatura del noyo
2.2.16 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
EXTERNAL EXCHANGE
Esta condición de borde, cuando se aplica a las superficies externas del dominio, es usada para modelar todos los componentes del intercambio térmico con el exterior y en especial, los efectos de radiación y convección.
2.2.17 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Define el nombre de la condición de borde
Permite definir el tipo de intercambio con el exterior
La temperatura exterior puede ser constante o definida por una función
La emisividad () puede ser constante o definida por una función
2.2.18 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Molde exterior
2.2.19 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Metal libre
2.2.20 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
DIE COATING
Die coating es una capa líquida que se aplica al molde ya sea para reducir los choques térmicos debidos al metal fundido, o bien, para facilitar la eyección de la pieza en el caso de fundición en molde permanente.
Esta condición de borde permite modelar el efecto térmico de esta capa calculando una resistencia térmica equivalente a partir de:
• El espesor de la capa
• La conductividad de la capa
• La resistencia de adherencia de la capa
2.2.21 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Define el nombre de la condición de borde
Permite definir el material de la capa
Define el espesor de la capa líquida
Permite seleccionar entre la base de datos estándar o la creada por el usuario
Permite definir la superficie a la cual se le asigna la capa
2.2.22 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.23 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Ingreso de Datos: Parámetros de Solidificación
Process / Solidification Material Parameters
2.2.24 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Ingreso de Datos: Gravedad
Process / Gravity
Permite especificar el valor y la dirección de la gravedad.
2.2.25 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2) Parámetros de salida
Calculation / Output Parameters
Esta opción permite al usuario determinar la frecuencia de salida de los archivos de resultado y definir “puntos históricos” y “puntos de trazado”.
Dependiendo del tipo de parámetros de salida que se desee especificar, se cuenta con cuatro solapas para el manejo de los resultados (Filling, Solidification, History Points y Tracing Points).
2.2.26 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.27 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.28 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.29 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.30 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
2.2.31 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
3) Comienzo del cálculo
Calculation / Start Calculation
Comienza la simulación de llenado estándar a partir de t = 0 seg.
Comienza la simulación de llenado a partir del último estado guardado realizado por el módulo de solidificación.
Comienza el cálculo a partir del último estado guardado realizado por el módulo de llenado.
2.2.32 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Comienza la simulación de solidificación a partir del último estado guardado en el módulo de llenado.
Comienza la simulación de solidificación a partir de t = 0 seg.
Comienza el cálculo de solidificación a partir del último estado guardado.
2.2.33 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN
Comienza una simulación de llenado seguida de una simulación de solidificación.
Comienza la simulación de llenado a partir del último estado guardado realizado por el módulo de solidificación o el módulo de ciclos.
2.3
RESULTADOS
1) Llenado y Solidificación
2) Defectos
3) Curvas
3.
PRESTACIONES ADICIONALES
Existe la posibilidad de simular elementos secundarios utilizados para reducir y/o eliminar los defectos en las piezas fundidas.
Algunos de estos son:
Filtros de Espuma Cerámica
Manguito Exotérmico
3.1
Filtros de Espuma Cerámica
Se utilizan para remover las inclusiones no metálicas, películas de óxido que quedan atrapadas en la superficie, y son envueltas por el metal y arrastrada al interior del molde.
3.2
El modelado del filtro se lleva a cabo diseñando un dominio de superficie ubicado en la entrada o salida del volumen ocupado por el filtro.
Solo se modela el efecto global del filtro, en especial la pérdida de carga.
El programa permite simular el efecto que ejerce este tipo de filtro sobre el flujo del metal líquido a través de la ley de Darcy, la cual establece que la velocidad es directamente proporcional a la caída de presión en el filtro.
3.3
Ventajas:
La filtración ayuda a proporcionar un flujo uniforme de metal por el sistema de distribución del colado.
Los FEC eliminan material de inclusión en el metal, y la pieza colada es más limpia.
Los FEC aumentan la productividad en el taller de maquinado porque limitan las inclusiones superficiales o subsuperficiales en una pieza colada.
El uso de FEC también puede mejorar las propiedades mecánicas de las piezas coladas, como la ductilidad, porque las inclusiones pueden causar discontinuidades o actuar como iniciadores de grietas.
3.4
Manguito Exotérmico
Un manguito exotérmico es un cilindro (circular u ovalado) constituido por una mezcla de arena, aluminio y oxidantes unidos por alguna resina.
La oxidación del aluminio libera una gran cantidad de calor que se utiliza para mantener el metal líquido en el montante y permitir la alimentación de la pieza durante la solidificación.
3.5
¿Cómo se simula?
El programa simula este elemento asignando a un volumen destinado a representar al manguito, las condición de borde “material exotérmico”.
3.6
El dato de entrada es la potencia por metro cúbico que entrega el exotérmico. Se puede introducir un valor constante, una función del tiempo o una función de la temperatura.
Instituto Nacionalde Tecnología Industrial
Diciembre de 2004
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