Metal döküm kalıpların CAD/CAE teknikleri ile yorulma ömrünün modellenmesi

Abstract

ÖZET: Kelimeler: Kokil kalıp, döküm, sonlu elemanlar yöntemi, ara yüzey ısı transferi, ergime gizli ısısı, elasto-plastik analiz. Sıvı metallerin döküm yöntemi ile şekillendirilmesinde kullanılan metalden yapılan döküm kalıplan (kokil kalıplar) çok sayıda döküm parça üretimi için kullanıldıklarından yüksek dayanıklılığa sahip olmalıdır. Kokil kalıplar tekrarlı döküm işlemleri sırasında sıvı döküm metali ile temas halinde olduğundan aşın sıcaklıklara maruz kalmaktadırlar. Tekrarlı ısınma ve soğumalar neticesinde kokil kalıplar termal gerilmelere ve sonuç olarak termal yorulmalara maruz kalmaktadırlar. Metal döküm kalıplarda çoğunlukla görülen sorun çalışma sırasında kırılma problemidir. Üretilmeleri çok yüksek maliyetler gerektiren bu kalıpların tasarlanan üretim ömründen önce servis dışı kalmalar döküm sektörü için beklenmedik zaman ve malzeme maliyetlerine neden olmaktadır. Bir metal kalıbın çalışma ömrü henüz kalıp tasarım aşamasında bilgisayar teknikleri ile modellenebilir ise ve bu modelleme sonucunda kalıp tasannu kalıbın optimum ömrü için yenilenebilirse yukarıda değinilen beklenmedik ilave kalıp maliyetleri minimuma düşürülebilecektir. Bu araştırmada dökümhane şartlarından ve malzemelerin termofiziksel özellerinden elde edilen veriler doğrultusunda metal döküm kalıplarının (kokil kalıpların) yorulma ömrü CAD (Bilgisayara Dayalı Tasarım) ve CAE (Bilgisayara Dayalı Mühendislik) teknikleri kullanılarak hesaplanmaya çalışılmıştır. Bu amaçla küresel grafitli dökme demirden üretilen bir kokil kalıp ve bir alüminyum %7 silisyum alaşımı olan Etial 177 alaşımından oluşan kalıp-döküm sisteminin geometrileri üç boyutlu olarak ProENGINEER CAD programında oluşturulmuştur. Bu geometrik modeller daha sonra sonlu elemanlar tekniğini kullanan ve elasto-plastik analiz yapabilen ANSYS analiz programı ortamında elementlere aynlmistir. Bu geometrik modellerin başlangıç şartlan, sınır değerleri ve ara yüzey ısı geçirgenlik durumlan, kalıp ile döküm makemelerinin termofiziksel özellikleri sıcaklığa bağlı olarak tanımlanarak analiz programına girilmiş, bu verilere ve tanımlanan sınır şartlara dayanarak ilk döküm için termal analiz yapılmıştır. Bu ilk analizden elde edilen sıcaklık değerleri bir sonra yapılacak döküm için başlangıç şartı olarak tanımlanmıştır. Döküm ve soğuma neticesinde elde edilen sıcaklık verileri ve mekanik özelliklerine bağlı olarak kalıpta meydana gelen elastik ve plastik gerilmeler ile şekil değişimleri hesaplanmıştır. Hesaplanan bu elastik-plastik gerilmeler ve şekil değiştirme verilerine dayanarak kalıbın yorulmaya karşı en kritik bölgesi ve yorulma ömrü hesaplanmış ve uygulama kayıtlanyla karşılaştınlmıştır. Sonuç olarak kokil döküm kalıbının termal yorulma ömrü yaklaşık %9 oranında bir hata ile modellenmiş, daha gerçekçi sonuçlara ulaşmak için kullanılan tüm değişkenlerin doğru bir şekilde belirlenmesine bağlı olduğu gösterilmiştir. XIV

MODELLING OF MOLD THERMAL FATIGUE LIFE IN PERMANENT MOLD CASTING USING CAD/CAE TECHNIQUES SUMMARY Keywords: Permanent mold, casting, finite element method, interfacial heat transfer, latent heat, elasto-plastic analysis. Molds for permanent mold castings are designed to produce multiple castings and thus they have to prosses high strength and durability in the service conditions. During the operation cycles, the permanent molds are in contact with the liquid casting alloy and there for exposed to high temperatures. As a result of repeatedly heating and cooling cycles the permanent molds undergo residual thermal stresses leading to thermal fatigue. The common problem with the permanent molds is the service failure during their use. Due to high tooling cost the unexpected failure of these molds bring time and material losts alongside serious production costs for the foundry industry. If the fatigue life of a permanent mold can be modeled and optimized in the design stage by means of computer techniques the above disadvantageous effects and the overall costs might be minimized. In this study, using materials thermophysical data, foundry measurements and CAD/CAE techniques the thermal fatigue life of a permanent mold is estimated. 3D solid models of a mold-casting system consisted of a permanent mold made from grade 60 ductile iron and an aluminium 7% Si Casting alloy (A3 56) were constructed in a CAD system (ProENGINEER) Then, the models are transferred to ANSYS multi-physics environment in IGES format. In the next step, a suitable mesh is generated for the models. After defining all boundary and initials conditions for thermal analysis, the thermal analysis of the permanent mold casting is done repeatedly for every cycle until the steady-state temperature change is reached. The elastic-plastic stress calculation is performed by using the thermal history obtained from the thermal analysis. At the end, the residual stresses are determined and used for the thermal fatigue life calculations. The results showed that using the CAD/CAE techniques the fatigue life of a permanent mold can be modeled and the comparison of the fatigue life estimated from the computer analysis and measured from the real damaged mold showed only 9% disagreement. It has been showed that, all the variables used in the analysis are to be determined properly for achieving better results. xv