معرفة

تعليمات: باستخدام فولاذ عالي المنغنيز، تمت محاكاة عملية ملء وتصلب صب سن الدلو رقميًا باستخدام برنامج محاكاة الصب ProCAST. أظهرت نتائج المحاكاة أن وقت ملء نظام الصب طويل نسبيًا ودرجة حرارة الملء مرتفعة نسبيًا، مما يؤدي إلى تكوين مسامية انكماش كبيرة داخل صب سن الدلو. تم تحسين معلمات عملية الصب ونظام الصب، وأُجريت المحاكاة الرقمية. أظهرت النتائج أنه بعد تحسين العملية، تحسنت جودة سطح صب سن الدلو، وتسارعت سرعة التصلب الداخلي، وانخفضت عيوب العملية، وانخفض معدل الخردة.

 

: الكلمات المفتاحية فولاذ منجنيز عالي؛ بروكاست؛ وقت التعبئة؛ المحاكاة العددية؛ سن الدلو

 

يُعدّ سنّ الدلو في الحفارة مكونًا أساسيًا. عند حفر الحفارة لمواد مثل الفحم، يتعرض هذا السنّ لتآكل ناتج عن الاصطدام والاحتكاك مع المواد، ويتعرض أيضًا لأحمال صدمات كبيرة [1]. حاليًا، تتميز معظم أسنان الدلو المتوفرة في السوق بعمر خدمة قصير، والخسارة الاقتصادية الناجمة عن استبدالها هائلة. تبلغ الخسارة الاقتصادية في الصين الناتجة عن تلف أسنان الدلو بسبب التآكل حوالي 30 مليون يوان سنويًا [2-3]. بالإضافة إلى ذلك، قد ينكسر سن الدلو أثناء التشغيل، مما يهدد السلامة الشخصية للعمال [4]. تنقسم أسنان الدلو الشائعة بشكل رئيسي إلى أسنان دلو مزورة وأسنان دلو مصبوبة. تتميز أسنان الدلو المزورة بمتانة أعلى، لكن تكلفتها أعلى وعملية إنتاجها أكثر تعقيدًا؛ بينما تتميز عملية الصب بتكلفة أقل وبساطة في العملية وسهولة إنتاجها بكميات كبيرة [5-6]. حاليًا، لا تزال أسنان الدلو المصبوبة تهيمن على السوق، ولكن نظرًا لحجم حبيباتها الأكبر وقوتها المنخفضة، يصعب حتى بعد المعالجة الحرارية التخلص من عيوب حجم الحبيبات الأكبر. بالإضافة إلى ذلك، فإن أسنان الدلو الناتجة عن عملية الصب لا بد أن تعاني من بعض عيوب السطح [7-8]، وقد تعاني أيضًا من عيوب انكماش وتجويف أكثر خطورة، مع معدل انكماش مرتفع، وهو ما كان دائمًا مشكلة صعبة للشركات. مع تطور تكنولوجيا المحاكاة الحاسوبية، أصبح دمجها في إنتاج الصب اتجاهًا رائجًا. يمكن لمحاكاة عملية ملء وتصلب أسنان الدلو من خلال الكمبيوتر عرض العملية الديناميكية للمعدن المنصهر في تجويف القالب، وتوفير إرشادات للإنتاج الفعلي [9-11].

 

باستخدام سنّ دلو الفولاذ عالي المنغنيز كهدف بحثي، استُخدم برنامج ProCAST لمحاكاة عملية الصب، وتم التنبؤ بموقع وحجم مسامية الانكماش وتجويف الانكماش داخل الصب [12-13]. بناءً على نتائج المحاكاة، تم تحليل أسباب العيوب، وتم تحسين عملية الصب لتحسين جودة الصب، وتقليل معدل الخردة، وزيادة الفوائد الاقتصادية [14].

 

1. إنشاء النموذج الهندسي

مادة سن الدلو هي فولاذ منجنيز عالي، ومكوناته مدرجة في الجدول 1. وزن الصب 385 كجم، والهيكل موضح في الشكل 1. الحد الأقصى لحجم محيط صب سن الدلو هو 1340 مم × سماكة 425 ملم × 255 ملم، وهو ينتمي إلى صب كبير.

 

بيئة عمل أسنان الدلو قاسية، مع متطلبات عالية القوة. في الوقت نفسه، يجب ألا يحتوي سطح الصب على عيوب سطحية مثل المسام، ويجب ألا يكون هناك مسامية انكماش أو تجاويف انكماش بالداخل. في عملية إنتاج الصب الفعلية، تكون بعض عيوب الصب حتمية في المسبوكات، من بينها مسامية الانكماش وتجويفات الانكماش التي لها تأثير أكبر على جودة المسبوكات. كصب كبير الحجم، يتأثر السائل المعدني لأسنان الدلو بعوامل متعددة أثناء عملية التصلب. بالنظر إلى جميع الجوانب، تم اعتماد مخطط الصب السفلي، مع قطعتين في صندوق واحد [15]، كما هو موضح في الشكل 2. يتم وضع فتحات التهوية في طرف الأسنان لسهولة العادم؛ يتم وضع الرافعات في الجزء الأكثر سمكًا من مركز أسنان الدلو لسهولة التغذية؛ يتم وضع البوابة في نهاية أسنان الدلو، ويتم وضع بئر بوابة في الجزء السفلي من العداء العرضي لحجب الخبث والتخزين المؤقت بشكل مريح.

 

 

 

2. المعالجة المسبقة لمحاكاة العناصر المحدودة

 

2.1 شبكات العناصر المحدودة

رُسمت النماذج ثلاثية الأبعاد لسن الدلو ونظام البوابة باستخدام برنامج UG، ثم استُوردت إلى برنامج ProCAST بصيغة xt. استُخدمت وحدة Visual-Mesh لربط سن الدلو ونظام البوابة. ونظرًا لكبر حجم سن الدلو، ضُبط حجم الشبكة على 3 لضمان عملية محاكاة سلسة. تم تصحيح شبكة السطح وإصلاحها، ثم رُسمت شبكة الحجم بناءً عليها، مما أدى إلى توليد 15 عنصرًا سطحيًا و224,490 عنصرًا حجميًا.

 

2.2 شروط الحدود وإعدادات معلمات التشغيل

بعد الدخول إلى وحدة Visual-Cast في ProCAST، يتم اختيار المادة وتحريرها في مكتبة المواد. يُستخدم ProCAST لحساب معاملات الأداء الفيزيائي للمادة، مع خط Liquidus عند 1388.7.℃ وخط السوليدوس عند 1256.8℃يتم اختيار مادة جزء القالب على أنها رمل الراتنج.

تتضمن خطة العملية الأولية لسن الدلو درجة حرارة صب تبلغ 1600℃قبل الصب، يجب خبز قالب الرمل على درجة حرارة عالية، مع درجة حرارة تسخين مسبق تبلغ 400℃بعد الخبز، يُترك القالب ليبرد قليلاً قبل صبه بالجاذبية، مع توجيه الجاذبية نحو المحور Z السالب وتبريد الهواء الطبيعي. يُختار معامل انتقال الحرارة بين السطحين كنوع COINC، ويُضبط معامل انتقال الحرارة بين مصبوب الفولاذ عالي المنغنيز والقالب على 500 واط/متر مربع.·ك). وقت التعبئة 85 ثانية، وحجم القالب 1800 مم×1400 مم×٨٠٠ مم. العملية برمتها بسيطة نسبيًا، ويبلغ عدد الخطوات النهائية ٥٠,٠٠٠ خطوة.

 

 

 

3 تحليل نتائج المحاكاة

3.1 تحليل نتائج محاكاة مجال درجة الحرارة أثناء عملية الملء

تمت محاكاة عملية الصب الأولية باستخدام برنامج ProCAST، وحُللت نتائج الملء. تظهر النتائج في الشكل 3. وفقًا لوحدة العرض المرئي في برنامج ProCAST، يدخل المعدن المنصهر إلى التجويف من كوب الصب أثناء عملية الملء، ويرتفع مستوى السائل تدريجيًا. يمكن تفريغ الغاز الموجود في التجويف بسلاسة من خلال فتحات الغاز الموجودة في طرف السن. يُملأ التجويف بالكامل في غضون 85 ثانية، ويكون تدفق المعدن المنصهر سلسًا نسبيًا، مما يسمح بملئه بنجاح. أثناء عملية الملء، تكون درجة حرارة المعدن المنصهر أعلى من خط السيولة، مع سيولة جيدة، ولا يحدث تناثر أو اضطراب كبير للمعدن المنصهر.

3.2 تحليل نتائج محاكاة الكسر الصلب أثناء عملية التصلب

تظهر نتائج محاكاة الكسر الصلب أثناء عملية التصلب في الشكل 4. يتضح من التغيرات في الكسر الصلب أن أسرع عملية تصلب تحدث في ثقوب الغاز ونظام البوابات. عند 1.1×104 ثانية، يحدث التصلب بشكل رئيسي في نظام البوابة، من المصب إلى الممر. عند 1.7×بعد ١٠٤ ثوانٍ، يكون نظام البوابات متصلبًا بشكل أساسي، ويُظهر تصلب الصب اتجاهًا من اليسار إلى اليمين ومن الأسفل إلى الأعلى. عند ٤.٥×104 ثانية، تكون الكسر الصلب في وسط سن الدلو أقل بكثير من الكسر الموجود في المنطقة المحيطة، مما قد يؤدي إلى عدم كفاية التغذية.

 

3.3 التنبؤ بتجاويف الانكماش وعيوب المسامية في المسبوكات

لضمان الاستخدام السليم لقوالب سنّ الدلو، من الضروري التنبؤ بمسامية الانكماش وعيوب التجويف داخلها. يُستخدم معيار مسامية الانكماش الكلية لبرنامج ProCAST للتقييم النوعي [17]. تتركز العيوب بشكل رئيسي في كوب الصب، والمسار الأفقي، والرافعة، والجزء الأوسط من سنّ الدلو، كما هو موضح في الشكل 5. ستؤثر مسامية الانكماش في الجزء الأوسط من سنّ الدلو بشكل خطير على أداء الصب، وقد تتسبب في كسر سنّ الدلو تحت تأثير الأحمال الصدمية.

 

4 تحسين معلمات العملية ونظام الصب

وفقًا لنتائج المحاكاة، وُجد أن تصميم عملية الصب المذكورة أعلاه لصب أسنان الدلو لم يُحقق التأثير الأمثل المتوقع على الجودة والأداء النهائيين للصب. والأسباب الرئيسية لذلك هي: ① سرعة الملء بطيئة نسبيًا [18]؛ ② درجة حرارة الصب مرتفعة جدًا [19]؛ ③ درجة حرارة التسخين المسبق للقالب منخفضة نسبيًا [20].

 

من أجل تقليل عيوب الصب، يتم تحسين ثلاثة معلمات مهمة لعملية الصب وهي درجة حرارة الصب وسرعة الصب ودرجة حرارة تسخين القالب مسبقًا، كما هو موضح في الجدول 2.

 

بناءً على الجدول ٢، تم إنشاء تسع مجموعات ضابطة تجريبية، وأُجريت محاكاة الصب وفقًا لذلك. وتم اختيار مجموعة المعاملات المثلى بناءً على حجم مسامية الانكماش ومعدل تجويف الانكماش في نهاية المحاكاة، والمُمثلة بالرمز θ. يتم سرد إعدادات معلمات المحاكاة المحددة والنتائج في الجدول 3 [21]. ​​​​​​​

وفقًا لنتائج المحاكاة في الجدول 3، حققت مجموعة L7 أفضل نتائج المحاكاة. ونظرًا لزيادة سرعة الملء من 14 كجم/ثانية الأصلية إلى 16 كجم/ثانية، ولمنع السائل المعدني من تآكل جدار القالب بسبب سرعة الملء المتسارعة، تم تحسين نظام البوابات بالطرق التالية [22]: ① زيادة قطر القناة لتسريع سرعة الملء؛ ② تمديد بوابتين داخليتين إضافيتين من كلا طرفي الممر لتحسين توزيع التدفق في التجويف ومنع تآكل جدار القالب بسبب التعبئة المتسارعة؛ ③ رُكِّب جيبان للبوابة أسفل البوابتين الداخليتين الإضافيتين، مما يُحسِّن من حجب الخبث وتخفيفه أثناء عملية التعبئة، ويُحسِّن توزيع تدفق البوابات الداخلية، ويجعل عملية التعبئة أكثر استقرارًا. يُوضَّح نظام البوابات المُحسَّن في الشكل 6.

 

5. تحليل محاكاة التحسين والتحقق من اختبار الإنتاج

5.1 تحليل عملية التصلب قبل وبعد تحسين العملية

تم تحليل عملية التصلب في المناطق التي تحدث فيها مسامية الانكماش وتجويفات الانكماش داخل المصبوب. تظهر منحنيات التصلب في الشكل 7. بعد تحسين العملية، أصبحت سرعة تصلب المعدن المنصهر في هذه المنطقة أسرع بكثير مما كانت عليه قبل التحسين. يُسهّل التصلب السريع تغذية المعدن المنصهر، كما أن قدرة التغذية للرافعة أفضل.

 

 

5.2 التنبؤ بالعيوب بعد التحسين

تم تحويل النموذج ثلاثي الأبعاد لنظام البوابات المُحسَّن إلى صيغة xt واستيراده إلى برنامج ProCAST. باستخدام معلمات العملية المُحسَّنة، أُجري تحليل محاكاة. يوضح الشكل 3 التنبؤ بعيوب سن الدلو بعد تحسين العملية. وفقًا لمعيار مسامية الانكماش الكلي، لا توجد أي عيوب في مسامية الانكماش أو تجويف الانكماش داخل سن الدلو للصب في هذه المرحلة. يتكون جزء كبير من عيوب الصب في الرافعات، ويتكون جزء صغير في كوب الصب والقناة، مما لا يؤثر على جودة صب سن الدلو.

 

5.3 التحقق من الإنتاج

تم التحقق من إنتاج أسنان الدلو وفقًا للمعايير قبل وبعد تحسين العملية، كما هو موضح في الشكل 9. تظهر أسنان الدلو المُنتجة قبل تحسين العملية في الشكل 9(أ)، حيث توجد عيوب كبيرة في مسامية الانكماش وتجويف الانكماش في المنطقة الواقعة أسفل الناهض مباشرةً. تظهر أسنان الدلو المُنتجة بعد تحسين العملية في الشكل 9(ب)، بجودة سطح جيدة ودون أي عيوب في مسامية الانكماش أو تجويف الانكماش. تتوافق أسنان الدلو قبل وبعد التحسين مع نتائج المحاكاة، مما يؤكد جدوى استخدام المحاكاة لتوجيه الإنتاج الفعلي.

​​​​​​​

 

5.4 مقارنة الصلابة ومقاومة التآكل

بالنسبة لنفس مادة الصب لأسنان الدلو، كانت صلابة أسنان الدلو قبل تحسين العملية 205 هاش فولت، وبعد التحسين، 218 هاش فولت. تحت طاقة تأثير قدرها 1 جول، كان مقدار تآكل أسنان الدلو قبل تحسين العملية 185 مليجرام، وبعد التحسين، 160 مليجرام.

 

6 الخاتمة

(1) تم إنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد لأسنان الجرافة ونظام البوابات في UG واستيرادها إلى ProCAST. بعد الدمج وضبط معلمات العملية الأولية، أُجريت المحاكاة. بناءً على نتائج المحاكاة، تم تحسين معلمات العملية الرئيسية الثلاثة: درجة حرارة الصب، وسرعة الصب، ودرجة حرارة التسخين المسبق للقالب، وتم اختيار التركيبة المثلى لمعلمات العملية: درجة حرارة الصب 3℃، سرعة صب 16 كجم/ثانية، ودرجة حرارة تسخين القالب 600℃.

(2) بعد تحسين عملية الصب، لم تظهر أي مسامية انكماشية أو تجاويف انكماشية داخل مصبوبات أسنان الدلو. تجمد السائل المعدني بشكل أسرع، وتحسنت جودة السطح، وتحسنت صلابته ومقاومته للتآكل بشكل ملحوظ.

 

تتمتع شركة China Vigor بخط إنتاج كامل وخط معالجة لاحقة لـ أسنان دلو والأجزاء ذات الصلة من الآلات المتحركة للأرض، إذا كان لديك أي سؤال أو طلب أو تطوير أجزاء ذات صلة أو تحسين سلسلة التوريد الخاصة بك، فلا تتردد في الاتصال بنا info@castings-forging.com