Simulazione Di Fonderia

5/16/2018 Simulazione Di Fonderia - slidepdf.com

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Simulazione di fonderia

di Avaltroni Michele

Ricardo Lopez



1 – Preparazione iniziale

Si parte innanzitutto ricostruendo il pezzo fornitoci in Iges tramite un CAD per poter effetuare le

varie modifiche al pezzo e costruire il canale di colata. Il pezzo ha le seguenti dimensioni:

Si procede quindi applicando disegnando un canale di colata che a grandi linee possa essere

plausibile per il pezzo in esame, si applicano a tutte le superfici gli angoli di sformo necessari a

togliere il pezzo dopo la creazione del semistampo e si aggiunge del sovrametallo per ottenere ledimensioni esatte dopo le lavorazioni alle MU. Il risultato ottenuto è mostrato nella figura

seguente:

Nell’immagine successiva viene evidenziato con la linea rossa quale sia il piano di divisione dello

stampo inferiore e superiore.



Si può notare nell’ immagine sopra che la parte verticale del canale di colata ha un angolo di

sformo tale per cui esso non possa essere tolto dalla parte inferiore dello stampo; questo non è un

errore ma viene reso possibile togliendo la suddetta parte dal lato superiore dato che

successivamente il getto viene riempito dalla cavità da essa lasciata. Inoltre si può osservare come

le varie parti vengano tutte raggiate per evitare spigoli vivi nello stampo che portano a una fragilità

in quei punti.

2 – Prime prove

Per effettuare le prove iniziali si sceglie una meshatura abbastanza grossolana (8) e come materiale

una ghisa sferoidale. Si impostano i vari valori tipici di temperatura per questo materiale, il

riempimento a 0.1 Kg/s, il criterio si stop a una temperatura di 600 °C e si procede con il calcolo. Il

calcolo arriva a circa il 50% del riempimento poi si ferma, cioè converge. Nella figura 1 si vede

come in alcuni punti la temperatura sia al di sotto della temperatura di liquidus, quindi

probabilmente avviene la solidificazione troppo presto. Questo è attribuibile al fatto che la portata

è troppo bassa e quindi certi punti iniziano a solidificare prima che il getto sia pieno.

Nella seconda prova si scelgono due valori di mesh differenti per il canale di colata e per il getto

(più grossolana per il primo (8), più fine per il secondo(4)) e per controllare meglio l’immissione di

materiale non si usa l’opzione Inlet ma viene divisa in Temperature (1350 °C) e Velocity (0.09 m/s).

Anche questa volta però la simulazione non arriva a termine senza evidenti motivi in quanto dal

wiever si evince che i valori di temperatura, velocità e pressione sembrano nella norma; i risultati

vengono mostrati in figura 2.



Fig. 1

Fig. 2



Nella terza prova si pone come valore di ingresso del materiale 1 Kg/s e si lasciano invariati. Anche

questa volta la simulazione non arriva a termine e dall’ analisi dei risultati si può vedere come

questa volta siano velocità e pressione del fluido a “impazzire” come si evince dalla figura 3 e 4. Si

noti che il fondo scala è a 1.000.000 m/s e 1.000.000 bar.

Fig. 3

Fig. 4



A questo punto non riuscendo a capire il motivo per il quale i calcolo arrivano tutti a divergenza si

pensa che il problema sia nella geometria e quindi si ricrea una geometria molto più semplice

cercando di capire quale possa essere la soluzione.

3 – Prove successive

Come prima prova si parte da una geometria molto semplice, cioè con un solo canale di colata e

con un canale di colata più largo. Viene fatta questa scelta in quanto sulle prove precedenti

aumentava molto la velocità del fluido e si pensa che questo sia attribuibile alla geometria del

canale, cioè, nello specifico, al fatto che ci sia una curva e che la parte del canale di colata che si

affaccia direttamente sul pezzo sia troppo piccola. Il modello al CAD è mostrato in figura 5.

Viene impostata una portata una portata prima di 1Kg/s ma la simulazione si ferma a circa il 50 %

del riempimento. In seguito si fa una seconda prova con una portata di 2.5 Kg/s e per la prima volta

la simulazione arriva a termine dopo circa 8 ore, anche se non si ferma perché ha raggiunto come

impostato i 700 °C ma per il raggiungimento del numero massimo di timestep. Nella figura 6 si

posso vedere i risultati ottenuti.

Da questa prova però si capisce però come si sia andando nella direzione giusta. Per capire come

se sia stato determinante l’aumento della portata o della sezione del condotto si fanno due prove.

Nella prima viene aumenta appunto la sezione del canale lasciando invariata la portata. Si passa

infatti da una larghezza di 40 mm a una di 80 mm lasciando invariata l’altezza. Come conseguenza

si allarga anche la parte conica di ingresso. Questa prova termina a circa il 70% del riempimento in

quanto probabilmente la portata è inadeguata per le dimensioni del canale. Nella prova successiva

infatti si passa da una portata di 2.5 Kg/s a una di 5 Kg/s e questa volta la prova arriva alla fine. Si

possono vedere i risultati nella figura 7. E’ da notare che in questa prova non si hanno ritiri nel

getto; questo è probabilmente dovuto al fatto che il canale di colata funge da materozza.

Fig. 5



Fig. 6

Fig. 7



Ora per capire se il problema fosse nella presenza di una curva si crea un nuovo modello al CAD e si

esegue una simulazione con gli stessi parametri precedenti, diminuendo però leggermente la

dimensione del canale. La simulazione si conclude in circa 15 minuti, fattore che sta a dimostrare

che probabilmente questo dimensionamento è più corretto. Nella figura 8 i risultati.

Rimanendo dell’idea che la forma del canale pensata all’ inizio sia migliore si riproduce un modello

al CAD simile al primo (figura 9) e si simula il processo fusorio mantenendo gli stessi parametri del

caso precedente. La prova termina in circa 15 minuti, segno che nelle prime prove poteva essere

errata la bassa portata o la ridotta dimensione dei canali che si affacciano al pezzo.

Fig. 8

Fig. 9



Per capire dove sia l’errore si crea un nuovo canale con le stesse dimensioni del canale usato nelle

prime prove. La prova va a buon fine e questo ci sta ad indicare che quindi il problema era nella

impostazione della portata, evidentemente troppo bassa. Inoltre sono visibili per la prima volta gli

effetti del ritiro e si inizia a tener conto della porosità, effetto che fin’ ora si era trascurato. I

risultati nella figura 10 e 11.

Fig. 10

Fig. 11



Arrivati a questo punto ci si ritiene soddisfatti della geometria e dei vari dati in input perciò si tenta

di infittire la mesh per avere risultati più precisi. Si fanno due prove con la dimensione della mesh

prima a 4 poi a 6; entrambi i calcoli arrivano a convergenza senza un motivo apparente.

Il materiale usato per le prove fin’ora è stata una ghisa sferoidale che però nel processo di fusione

è soggetta a un fenomeno detto “espansione grafitica”, cioè durante la salificazione il carbonio al

suo interno espande. Questo fenomeno non è prevedibile con la licenza in uso e quindi si passa ad

effettuare le ulteriori prove con l’ alluminio.

4 – Prove definitive

La prima prova viene eseguita cambiando solo il materiale in Alluminio e lasciando sia la geometria,

sia i parametri del caso precedente. Vengono modificate solamente le temperature iniziale e finale,

che vengono impostate adeguate per questo materiale, cioè nello specifico 800 °C per la

temperatura di ingresso del materiale e 250 °C come temperatura di stop. I risultati sono molto

simili a quelli del caso precedente della ghisa. A questo punto si prende in considerazione il

problema del ritiro e della porosità, come si può vedere nella figura 12.

Per cercare di risolvere i problemi di ritiro e porosità si creano nuovi modelli in cui sono presentidelle materozze, tecnica usata in fonderia per ovviare appunto a questo problema. Di seguito in

figura 13 viene mostrato il modello CAD.

Fig. 12



Dall’ immagine sovrastante si può vedere come la geometria sia la stessa dei casi precedenti con

l’aggiunta però della materozza; questa è stata posta nel punto in cui nelle prove precedenti si

notava un maggior ritiro e una maggiore porosità. La simulazione ci mostra come la materozza

risolva il problema del ritiro ma non quella della porosità (figura 14).

Fig. 13

Fig. 14



Successivamente si fanno diverse simulazioni aumentando e diminuendo la dimensione della

materozza e mettendone due ma con scarsi effetti, in quanto i risultati sono circa gli stessi; in

seguito si prova ad aumentare e diminuire la portata di materiale in ingresso, anche questa volta

senza variazioni rilevabili sul risultato finale.

A questo punto, avendo capito che le materozze non danno il risultato sperato, si cerca di cambiare

la geometria di modo che il flusso del materiale sia indirizzato verso la zona più soggetta a porosità;

si sposta quindi la direzione dei canali che si affacciano al pezzo e si pone il cono di entrata al

centro, sperando che migliori il flusso in entrata. Si può vedere il nuovo modello del getto in figura

15 e i risultati del calcolo in figura 16.

Zona di massima porosità

Fig. 15



Si tenta allora con due materozze posizionate sempre nella medesima zona ma anche in questo

caso la situazione non cambia, come si può vedere dalla figura 17.

Fig. 16

Fig. 17



5 – Conclusioni

Da tutte le simulazioni effettuate si può osservare il percorso realizzato per ottenere un getto per

quanto possibile realizzato correttamente per quanto riguarda la geometria e i vari valori in input

da inserire nel simulatore, quali soprattutto la quantità di materiale in ingresso per secondo e le

temperature iniziali e di stop per i materiali utilizzati. Si noti infine che non si è riusciti a risolvere il

problema della porosità neanche utilizzando le materozze che normalmente nei casi reali vengono

poste per eliminare questo difetto e quello del ritiro.

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