Analiza formowania stopów aluminium i magnezu w stanie stało-ciekłym przy użyciu zaawansowanego modelowania komputerowego

• Autorzy: Sołek K. , Białobrzeski A. , Stuczyński T. , Mitura Z.

Warianty tytułu

EN

Analysis of forming of aluminium and magnesium alloys in semi-solid state by advanced computer modelling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W niniejszym artykule przestawiono szczegółową analizę procesów odlewania tiksotropowego, prezentując zarówno wyniki doświadczalne oraz numeryczne. Na podkreślenie zasługuje, że uzyskano duża zgodność wyników eksperymentalnych z wynikami zaawansowanych symulacji komputerowych. W podsumowaniu warto omówić główne cechy podejścia zastosowanego w modelowaniu komputerowego, tj. wskazać jego wady i zalety. Otóż modelując proces wypełniania wnęki odlewniczej zastosowano tzw. jednofazowy model materiału. Oznacza to, że fakt współistnienia fazy ciekłej i stałej potraktowano w uproszczony (uśredniony) sposób. Dzięki takim uproszczeniom było możliwe przeprowadzenie bardzo udanych, trójwymiarowych symulacji procesu wypełniania wnęki, śledząc zarówno przepływ materiału oraz towarzyszące mu zmiany pola temperatury. Jednak warto w tym miejscu podkreślić, że w ramach zastosowanego podejścia nie można analizować wszystkich efektów towarzyszących formowaniu tiksotropowemu, między innymi segregacji faz wynikającej z gradientu ciśnienia występującego w formowanym materiale. Kolejny etap prac powinien stanowić poszukiwanie algorytmu pozwalającego opisać tego rodzaju zjawiska, jak również powinien dążyć do udoskonalenia technik pomiarowych pozwalających na łatwy pomiar własności reologicznych. W pracy przedstawiono trójwymiarowe symulacje procesu wypełniania formy odlewniczej. W tym celu został wykorzystany program FORGE3Ž oparty na rozwiązaniu modelu termomechanicznego przy pomocy metody elementów skończonych. Program ten bazuje na schemacie Lagrange'a, który pozwala na precyzyjne zamodelowanie zmian frontu materiału wypełniania wnęki formy. Zastosowanie schematu Lagrange'a w odniesieniu do procesów formowania tiksotropowego jest rzadkim i oryginalnym podejściem. Rezultaty niniejszej pracy potwierdzają przypuszczenie, że w najbliższej przyszłości modelowanie i symulacje komputerowe mogą stać się głównymi narzędziami prac projektowych. Można więc np. oczekiwać,że zakłady przemysłowe będą zainteresowane zatrudnianiem specjalistów z tego zakresu. Prawdopodobnie badania komputerowe pozwolą w niedalekiej przyszłe na istotne zmniejszenie kosztów prac projektów. Brzmi to dość optymistycznie, gdyż powszechnie przyjmuje się, że zmniejszanie kosztów funkcjonowania zakładów przemysłowych jest rzeczą pozytywną. Tak jest w istocie, jednak jeśli nie towarzyszą temu procesowi odpowiednie procedury transformacyjne dotyczące gospodarki całego kraju, może stać się on przyczyną napięć społecznych. Warto więc poświęcić tej spraw kilka zdań komentarza. Zmniejszenie kosztów funkcjonowania zakładów przemysłowych może prowadzić do tego, że tę samą ilość towarów będzie w stanie wytworzyć mniejsza liczba osób. Jeśli osoby 'zbędne' w przemyśle znajdą zatrudnienie w sektorze usług, to oczywiście wpłynie to pozytywnie na poziom życia wszystkich obywateli w kraju. Jednak, aby to faktycznie się wydarzyło w praktyce, konieczne jest stosowanie różnego rodzaju działań stymulujących, w tym np. przeprowadzanie reorganizacji systemu edukacji. W tym kontekście wydaje się ważne aby wyższe uczelnie techniczne modyfikowały odpowiednio szybko swoje programy kształcenia, jak również aby kontrolowały ogólną liczbę absolwentów opuszczających mury uczelni. Jest raczej oczywiste, że w nowych programach kształcenia powinno znaleźć się wiele różnych zajęć dotyczących szeroko rozumianej informatyki. Ale wydaje się też, że skoro w nowoczesnym, zautomatyzowanym przemyśle zatrudnienie może znaleźć coraz mniejszy odsetek ludności, to niestety może stać się konieczne także stopniowe zmniejszanie całkowitej liczby studentów uczelni technicznych. Jest to teza bardzo kontrowersyjna i wymagająca jeszcze dalszej dokładniejszej analizy, jednak w żadnym wypadku nie należy jej lekceważyć. Warto więc dodać, że w krajach wysoko rozwiniętych, wszechstronnej analizie skutków postępu technologicznego poświęca się dość dużo miejsca. Na tej podstawie prognozuje się strukturę zatrudnienia korzystną dla gospodarki i jednocześnie akceptowalną społecznie (np. Feather 2000). W każdym razie wydaje się ważne, aby także w polskiej rzeczywistości dostrzegać źródła potencjalnych problemów możliwie wcześnie, i aby prowadzić na ten temat rzetelną dyskusję opartą na chłodnej ocenie sytuacji.

EN

Metal forming in semi-solid state currently attracts a lot of research effort since only few manufacture steps lead to satisfactory mechanical properties even for complicated shapes. This paper presents recent authors? results for thixocasting. First, a whole technological process is described. Next, numerical modelling of pressure casting die filling (tixocasting process) is described. New constitutive equation parameters are obtained by means of inverse analysis and applied within package FORGE3. The main results are given for Al-Si alloy; however, some preliminary discussion for Mg-Al investigation is also provided. The presented results would seem to prove that reliable numerical simulation of advanced technological processes is possible

Słowa kluczowe

PL

analiza procesów odlewania tiksotropowego; wnęka odlewnicza; jednofazowy model materiału; symulacja procesu wypełniania wnęki; segregacja faz; pomiar własności reologicznych; trójwymiarowe symulacje procesu wypełniania formy odlewniczej; program FORGE3

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT
• Czasopismo: Informatyka w Technologii Materiałów
• Rocznik: 2003
• Tom: T. 3, Nr 3-4
• Strony: 126--137
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Sołek K.

• Wydział Metalurgii i Inżynierii Mateiałowej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Białobrzeski A.

• Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków, Polska

autor

Stuczyński T.

• Instytut Metali Nieżelaznych, Oddział Metali Lekkich, ul. Piłsudskiego 19. 32-050 Skawina, Polska

autor

Mitura Z.

• Wydział Metalurgii i Inżynierii Mateiałowej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

Bibliografia

• Atkinson, H. V., 2002, Thixoforming of otherwise wrought aluminium alloys: thermodynamic prediction of amenable compositions, Mat. Konf. 5th Int. Conf. on Material Forming ESAFORM, ed., Pietrzyk, M., Mitura, Z., Kaczmar, J„ Kraków, 655-658.
• Bellet, M., Mpong, S.M., 2001, Determination of the constitutive equation parameters of a thixotropic A1 alloy and FEM modelling of the thixoforming process, Mat Konf. NUMIFORM'01 ed., Mori, K. Lisse, 1087-1092.
• Chenot, J.-L., Bellet, M., 1992, The Viscoplastic Approach for the Finite-Element Modelling of Metal-Forming Processes, Praca Zbiorowa Numerical Modelling of Material Deformation Processes, ed., Hartley, P., Pillinger, I., Sturgess, C., London, 179-224.
• Chino, Y., Kobata, M., Iwasaki, H., Mabuchi, M., 2003, An investigation of compressive deformation behaviour for AZ91 Mg alloy containing a small volume of liquid, Acta Materialia, 51,3309-3318.
• Feather, F., 2000, Canada's best careers guide 2000, Warwick Publishing, Toronto.
• Hepp, E., Neves, S., Egry, I., 2000, High precision measurement of thermophysical properties for liquid metals - requirements for simulation of foundry processes, Mat Konf. Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes IX, ed., Sahm, P. R., Hansen, P. N., Conley, J. G., 697-703.
• Kang, C. G., Chung, Y. J., 2001, Comparison of single-phase and two-phase flow for numerical analysis of semi-solid forming process. Mat Konf. NUMIFORM '01, ed., Mori, K., Toyohashi, 1079-1085.
• Kopp, R., Lugscheider, E., Homig, T., Kallwiet, J., Maes, M., Seidl, I., 2002, Forming experiments and die development for processing steels in the semi-solid range, Mat. Konf. 5th Int. Conf. on Material Forming ESAFORM, ed., Pietrzyk, M., Mitura, Z., Kaczmar, J., Kraków, 671-674.
• Łapkowski, W., Pietrzyk, M., Sińczak, J., 1992, Behaviour of metal alloys during plastic deformation in partly liquid state, J. Mater. Proc. Techn., 34, 481-488.
• Łapkowski, W., Pietrzyk, M., 1994, Some aspects of plastic defor-mation of metal alloys in partly liquid state, J. Mater. Proc. Techn., 45,365-370.
• Łapkowski, W., 1998, Some studies regarding thixoforming of metal alloys, J. Mater. Proc. Techn., 80-81,463-468.
• Mori, K., ed., 2001, Mat Konf. NUMIFORM '01, A.A. Balkema Publishers, Lisse.
• Petera, J., Modigell, M., Hufschmidt, M., 2002, Comparison of two- phase finite simulation with experiments on isothermal die filling of semi-solid tin-lead, Mat. Konf. 5th Int. Conf. on Material Forming ESAFORM, ed., Pietrzyk, M., Mitura, Z., Kaczmar, J., Kraków, 675-678.
• Perzyk, M., Iwaszkiewicz, S., Kaczorowski, M., Jopkiewicz, A., 2000, Odlewnictwo, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• Pietrzyk, M., Mitura. Z., Kaczmar, J., ed., 2002,Mat. Konf. 5th Int. Conf. on Material Forming ESAFORM, Akapit, Kraków.
• Reddy, J. N., Gartling, D. K., 2001, The Finite Element Method in Heat Transfer and Fluid Dynamics, CRC Press, London.
• Sahm, P.R., Hansen, P.N., Conley, J.G., ed., 2000, Mat Konf. Mo-deling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes IX, Shaker Verlag GmbH, Aachen.
• Szyndler, D., Pietrzyk, M., 2000, Inverse analysis applied to the evaluation of friction and rheological parameters in hot forming of steels, Mat. Konf. Metal Forming '00, ed., Pietrzyk, M., Kusiak, J., Majta, J., Hartley, P., Pillinger, I., Kraków, 101¬106.
• Szyndler, D., Pietrzyk, M., and Kuziak, R., 2001, Estimation of rhe¬ological and friction parameters in hot forming processes as inverse problem, Mat. Konf. ESAFORM '01, ed., Habra¬ken, A. M., Liege, 191-194.
• Wagoner, R.H., Chenot, J.-L., 1997, Fundamentals of metal forming, John Wiley & Sons, Inc., New York.
• Wagoner, R.H., Chenot, J.-L., 2001, Metal Forming Analysis, Cambridge University Press, Cambridge.