CASE STUDY: ĐÚC ÁP SUẤT CAO CHO VỎ BỘ TRUYỀN ĐỘNG
Đúc khuôn áp suất cao (HPDC) là một quy trình sản xuất hiệu quả để sản xuất các bộ phận kim loại có hình dạng phức tạp với độ chính xác kích thước cao, bề mặt hoàn thiện tuyệt vời và các tính chất cơ học vượt trội. Trong quy trình này, kim loại nóng chảy được phun vào khuôn thép dưới áp suất cao, cho phép nó lấp đầy khoang khuôn và đông cứng nhanh chóng để tạo thành sản phẩm cuối cùng. Quy trình này được tự động hóa cao và có thể sản xuất một lượng lớn các bộ phận trong một khoảng thời gian ngắn.
Tuy nhiên, HPDC dễ mắc một số lỗi đúc có thể ảnh hưởng đến chất lượng và tính toàn vẹn của sản phẩm. Điều này đòi hỏi các nhóm phải tối ưu hóa cẩn thận các thông số đúc và hình dạng khuôn để giảm thiểu lỗi nhằm đảm bảo sản phẩm chất lượng cao. Ở đây, môi trường thiết kế dựa trên mô phỏng đang trở thành khía cạnh quan trọng giúp các kỹ sư cân bằng giữa thiết kế, khả năng sản xuất và hiệu suất.
Ảnh: ©Sydow-Druckguss GmbH
Bài báo kỹ thuật này báo cáo về một dự án hợp tác với Sydow-Druckguss GmbH và hai tổ chức khác sử dụng các phương pháp mô phỏng để đánh giá và tối ưu hóa hiệu quả quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm ngay từ đầu quá trình thiết kế.
Phương pháp hợp tác
Altair Engineering, hợp tác với ba doanh nghiệp khác, đã triển khai thành công một dự án đánh giá tính khả thi của HPDC để sản xuất vỏ bộ truyền động. Vỏ bộ truyền động là một phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và hệ thống thủy lực. Được thiết kế để bảo vệ cơ cấu bộ truyền động điều khiển chuyển động của các thành phần khác, vỏ bộ truyền động phải chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt, áp suất cao và tải trọng lớn.
Dự án nhằm mục đích thiết lập một phương pháp thiết kế dựa trên mô phỏng để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả quy trình – và sau đó sử dụng phương pháp đó cho các bộ phận khác. Nhóm đã mô phỏng quy trình HPDC bằng Altair® Inspire™ Cast, so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thử nghiệm thực tế.
Bộ truyền động đã được đúc bằng phương pháp đúc khuôn trọng lực vĩnh cửu, nhưng HPDC có nhiều lợi ích, bao gồm sản xuất nhanh và tự động cũng như khả năng đạt được độ dày nhỏ hơn; do đó, việc chuyển sang quy trình này được ưa chuộng.
Các mô phỏng ban đầu đã xác nhận rằng HPDC có thể tạo ra độ dày và bề mặt hoàn thiện theo yêu cầu nhưng cũng phát hiện ra các khuyết tật cơ học tiềm ẩn. Bằng cách hiểu các khuyết tật này và tối ưu hóa thiết kế khuôn, nhóm đã giảm thiểu thành công các vấn đề này để tạo ra một bộ phận thành công.
Mối tương quan chặt chẽ giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm đã khẳng định độ chính xác và độ tin cậy của Inspire Cast trong mô phỏng quy trình HPDC. Sau đó, Sydow-Druckguss GmbH đã áp dụng phần mềm này làm phần mềm mô phỏng tiêu chuẩn để đúc, truyền cảm hứng cho các công ty khác cân nhắc Inspire Cast cho thiết kế và tối ưu hóa đúc của họ.
APS Wenden giám sát thiết kế bộ phận; Sydow-Druckguss GmbH chịu trách nhiệm về HPDC; Böke Engineering là chuyên gia mô phỏng đúc; và Altair là nhà cung cấp phần mềm mô phỏng. Hãy cùng xem xét dự án này chi tiết hơn và phân tích kết quả tuyệt vời của nó.
Mô phỏng toàn diện với Inspire Cast
Inspire Cast được sử dụng để đánh giá các khuyết tật đúc điển hình trong HPDC, chẳng hạn như độ rỗ, kẹt khí, chạy không đúng do đông đặc sớm và mài mòn khuôn. Khi xem xét các khuyết tật đúc HPDC, chỉ dựa vào các thí nghiệm thực nghiệm là không đủ vì chúng không thể cung cấp phân tích quy trình đúc toàn diện. Các mô phỏng cho thấy HPDC có thể tạo ra độ dày và bề mặt hoàn thiện mong muốn nhưng xác định các khuyết tật tiềm ẩn ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học của bộ phận. Nhóm đã sử dụng Inspire Cast để mô phỏng toàn bộ quy trình đúc, từ quy trình tuần hoàn để có được sự phân bổ nhiệt độ khuôn đến các giai đoạn làm đầy, đông đặc và làm mát của bộ phận truyền động. Phần mềm sử dụng các thuật toán tiên tiến để mô phỏng dòng chảy chất lỏng, truyền nhiệt và hành vi đông đặc của kim loại nóng chảy, cho phép các kỹ sư hình dung các khuyết tật đúc và tối ưu hóa các thông số quy trình để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn.
Các mô phỏng cung cấp hiểu biết sâu hơn về các quy trình làm đầy và đông đặc, cho phép nhóm xác định và khắc phục các khuyết tật như độ rỗ và kẹt khí.
Hình 1: Quy trình làm đầy.
Kết quả: Chuyển đổi thành công sang HPDC
Kết quả mô phỏng được phân tích chi tiết và so sánh với hình ảnh X-quang từ các thí nghiệm đúc. Các mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về dòng chảy nóng chảy, các bẫy khí và độ rỗ liên quan đến co ngót tiềm ẩn – tất cả đều được giải quyết hiệu quả. Dự án đã so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thử nghiệm thực tế và phân tích so sánh này đã giúp nhóm hiểu sâu hơn về các quy trình làm đầy và đông đặc, cho phép họ xác định và giảm thiểu các khuyết tật. Các thuật toán tiên tiến của Inspire Cast cũng cho phép nhóm hình dung các khuyết tật đúc và tối ưu hóa các thông số quy trình để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn. Nhóm đã tối ưu hóa thành công thiết kế khuôn để loại bỏ các khuyết tật và cải thiện hiệu quả tổng thể.
Quy trình HPDC bao gồm trọng lượng phun là 6,8 kg, hợp kim đúc AlSi10Mg, nhiệt độ đúc là 680°C, vật liệu khuôn là 1,2343 và nhiệt độ khuôn ban đầu là 210°C. Vận tốc của pha đầu tiên là 0,2 mét/giây và pha thứ hai là 4,7 mét/giây. Đối với trường hợp này, các mô phỏng tuần hoàn đã được thực hiện để có được sự phân bố nhiệt độ thích hợp trong khuôn, sau đó là mô phỏng quá trình làm đầy và sau đó là quá trình đông đặc
. Mô hình mô phỏng bao gồm khoảng 1,98 triệu phần tử tứ diện và CPU Intel® Core™ i9-9900K @ 3,60GHz với 16 lõi đã được triển khai cho quá trình mô phỏng.
Tuy nhiên, số lõi CPU được sử dụng là khoảng tám. Phân tích quá trình làm đầy mất khoảng 27 giờ, 8 phút và 55 giây, và phân tích quá trình đông đặc mất 2:06:03. Sau đó, sau khi mô phỏng, phép tính cũng được thực hiện bằng phiên bản MPI của Inspire Cast trên máy cụm Linux có 32 lõi và có thể giảm đáng kể thời gian tính toán. Kết quả làm đầy và đông đặc từ mô phỏng đã được phân tích chi tiết và so sánh với hình ảnh X-quang có sẵn từ các thí nghiệm đúc.
Hình 1 cho thấy các trình tự làm đầy. Ban đầu, dòng chảy nóng chảy từ các cổng vào ít hỗn loạn hơn và có mặt trước gần như phẳng. Tuy nhiên, khi chất tan chảy chảy vào phần trên của vỏ, nó trở nên hỗn loạn và có thể quan sát thấy khả năng khí bị tích tụ.
Hình 2 giải thích bản chất hỗn loạn của dòng chảy và lý do gây ra hiện tượng tụ khí.
Hình 2: Bản chất hỗn loạn của quá trình đổ đầy về phía đỉnh vỏ tại hai thời điểm khác nhau. Hình ảnh bên trái là dòng chảy nóng chảy và chuyển động luồng khí tương ứng tại thời điểm đó.
Sự so sánh giữa độ rỗ và tia X có thể được thấy trong Hình 3B, gần khu vực mái vòm và ở khu vực bên trong trong Hình 3C. Tuy nhiên, cũng có thể thấy các lỗ khí bị giữ lại gần hệ thống cổng.
Hình 3: So sánh lượng khí bị giữ lại trong mô phỏng và thí nghiệm (tia X) trong giai đoạn làm đầy.
Các bước tiếp theo bao gồm phân tích kết quả mô phỏng quá trình đông đặc; ở đây, sự hình thành vùng nóng chảy riêng biệt được coi là dấu hiệu của tình trạng thiếu hụt thể tích có thể dẫn đến hình thành độ rỗ liên quan đến co ngót.
Hình 4: Các vùng nóng chảy riêng biệt trong quá trình đông đặc
Hình 4 cho thấy các vùng nóng chảy riêng biệt và Hình 5 cho thấy độ rỗ co ngót được đặt trong toàn bộ vỏ.
Hình 5: Dự đoán độ rỗ sau khi mô phỏng HPDC
Những dự đoán về độ rỗ co ngót này đã được so sánh thành công ở nhiều vị trí khác nhau với khu vực được quét X-quang, gần ren và mặt bích (xem Hình 6).
Hình 6: So sánh dự đoán độ rỗ co ngót (trái) và tia X (phải)
Kết luận: Hợp thức hoá Inspire Cast cho HPDC
Ngành công nghiệp đúc phải đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, sự phức tạp ngày càng tăng của các thành phần đúc do các sáng kiến giảm trọng lượng, chi phí năng lượng tăng và tình trạng thiếu nguyên liệu thô. Các kỹ sư đúc phải đảm bảo các quy trình hiệu quả, tiết kiệm chi phí và điều chỉnh hoạt động của họ theo các mục tiêu phát triển bền vững. Các phương pháp kỹ thuật số đang nổi lên để ứng phó với những thách thức phức tạp này và môi trường thiết kế dựa trên mô phỏng đang trở nên quan trọng, tạo điều kiện cân bằng giữa thiết kế, khả năng sản xuất và hiệu suất.
Altair® Inspire™ là môi trường thiết kế dựa trên mô phỏng tiên phong thúc đẩy kỹ thuật hợp tác giữa nhiều bên liên quan như nhà thiết kế, kỹ sư sản xuất, chuyên gia CAE, nhà cung cấp và chuyên gia chuỗi cung ứng.
Trong dự án này, mô phỏng Inspire Cast đã chứng minh thành công tính khả thi của việc sử dụng HPDC để sản xuất vỏ bộ truyền động. Việc so sánh giữa các mô phỏng và kết quả chụp X-quang từ các thử nghiệm đúc cho thấy mức độ đồng thuận cao, xác nhận độ chính xác và độ tin cậy của Inspire Cast. Nỗ lực thành công này xác nhận Inspire Cast là một công cụ mô phỏng đúc có độ chính xác cao cho quy trình HPDC.
Nhờ dự án thành công này, Inspire Cast hiện là phần mềm mô phỏng đúc tiêu chuẩn trong Sydow-Druckguss GmbH để phát triển các bộ phận HPDC chất lượng cao khác. Công trình này sẽ khuyến khích các công ty khác sử dụng Inspire Cast để thiết kế và tối ưu hóa đúc.
