DE102008003962B4

DE102008003962B4 - Erstarrungsanalyseverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE102008003962B4
Application number: DE102008003962A
Authority: DE
Inventors: Kazunari Sakurai; Hiroshi Onda
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2028-01-12
Also published as: US20080169074A1; US7974818B2; DE102008003962A1

Abstract

Erstarrungsanalyseverfahren eines Gussteils unter Verwendung eines Analysemodells mit einer Mehrzahl von Elementen mit folgenden Verfahrensschritten:
– Ausführen einer Berechnung des Wärmeübergangs zwischen zueinander benachbarten Elementen;
– Berechnen einer Abkühlgeschwindigkeit in jedem Element unter Verwendung der Berechnung des Wärmeübergangs zwischen dem entsprechenden Element und seinen benachbarten Elementen;
– Überprüfen eines Temperaturschwankungsbereichs in jedem Element, wenn eine Temperatur durch eine Abgabe der Erstarrungsbindungswärme auf der Basis der Abkühlgeschwindigkeit, die für das entsprechende Element berechnet wird, und einer vorbestimmten Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve einer geschmolzenen Legierung schwankt; und
– Ausführen einer Erstarrungsanalyse des Analysemodells unter Verwendung des überprüften Temperaturschwankungsbereichs.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Erstarrungsanalyseverfahren eines Gussteils, und insbesondere auf ein Erstarrungsanalyseverfahren und eine Vorrichtung, die eine Simulation durch einen elektronischen Rechner anwenden.
Um ein optimales und kostengünstiges Gussteil herzustellen, ist es notwendig, die Auslegung des erforderlichen Gussteils vor der Herstellung abzuschätzen bzw. zu berechnen. Um dieses zu erreichen, wird allgemein eine Gießvorgangsanalyse unter Verwendung eines elektronischen Rechners oder Computers angewendet.
Die Gießvorgangsanalyse kann auf verschiedenen Parametern, wie z. B. Fluss bzw. Fließen, Verformung, Erstarrung, und dergleichen, basieren. Insbesondere ist die Erstarrung ein bedeutender Parameter und die Analyse von diesem kann verwendet werden, um einen die Schrumpfung bzw. Zusammenziehung erzeugenden Bereich oder dessen Größe vorherzusagen bzw. vorauszuberechnen.
Bei der Erstarrungsanalyse wird ein Fraktionsfestkörper (teilerstarrter Körper) auf der Basis der abgegebenen Bindungs- bzw. Umwandlungswärme berechnet, die bei einer Temperatur abgegeben wird, die gleich oder kleiner einer Flüssigkeitsgrenztemperatur (Übergangstemperatur zur flüssigen Phase) ist. Der Fraktionsfestkörper wird infolge der Bindungswärmeabgabe erhöht. Wenn der Fraktionsfestkörper unter Verwendung dieses Verfahrens berechnet wird, wird eine Kurve des Fraktionsfestkörpers im Vergleich zur Temperatur zum Berechnen der Bindungswärme verwendet, die ein Schlüsselelement von einem Erstarrungsprozess ist. Siehe auch Kenichi Ohsasa, Mayumi Shoji und Toshio Narita, ”Prediction of Solidification Behavior in AC8C Alloy by Thermodynamic Calculation”, Casting Engineering, Nr. 8, Bd. 72, S. 525–529 (Aug. 25, 2000).
US 5,841,669 A beschreibt ein Verfahren zum Vorhersagen von Kornbildungsbedingungen in einem gerichtet verfestigten Gußkörper.
Es ist daher Aufgabe der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ein Erstarrungsanalyseverfahren eines Gussteils und eine Erstarrungsanalysevorrichtung zu schaffen, wobei die Analyse durch Betrachten verschiedener, die Bindungswärme abgebende Muster, die von den Unterschieden in der Abkühlgeschwindigkeit abhängen, ausgeführt werden kann, so dass die Schmelztemperaturabfall-Historie mit hoher Genauigkeit vorausberechnet werden kann.
Ein Beispiel eines hier offenbarten Erstarrungsanalyseverfahrens eines Gussteils, das eine Gußform bzw. Form verwendet, mit einer Mehrzahl von Elementen weist das Festlegen der Anfangsdaten der Form, wobei die Anfangsdaten zumindest eine Starttemperatur umfassen, Messen eines Wärmeübergangs von jedem Element der Form auf der Basis der Bindungswärmeabgabe, Vorausberechnen einer bestimmten Temperatur für jedes Element auf der Basis des gemessenen Wärmeübergangs, Berechnen einer Abkühlgeschwindigkeit auf der Basis einer Änderung von der Starttemperatur zur bestimmten Temperatur über ein vorbestimmtes Zeitintervall, Vorsehen einer Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve auf der Basis der Abkühlgeschwindigkeit und einer geschmolzenen Legierung der Form, Berechnen einer Änderung in einem Fraktionsfestkörper, Berechnen einer korrigierten bestimmten Temperatur auf der Basis der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve und der Änderung im Fraktionsfestkörper und Wiederholen des Verfahrens mit der korrigierten bestimmten Temperatur als Starttemperatur auf.
Es werden auch verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung für die Erstarrungsanalyse eines Gussteils, die eine Form verwendet, mit einer Mehrzahl von Elementen offenbart. Eine Vorrichtung umfasst die Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer Abkühlgeschwindigkeit in jedem Element von einer Bindungswärme, die von jedem Element abgegeben wird, Einrichtung zum Korrigieren oder Überprüfen eines Temperaturschwankungsbereichs in jedem Element infolge der Abgabe der Bindungswärme auf der Basis der berechneten Abkühlgeschwindigkeit und einer vorbestimmten Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve einer geschmolzenen Legierung und Einrichtung zum Ausführen einer Erstarrungsanalyse des Analysemodells unter Verwendung des korrigierten oder überprüften Temperaturschwankungsbereichs.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 6 bzw. 10. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:
1 einen Computer, um verschiedene Ausführungsformen der hier offenbarten Verfahren auszuführen;
2 ein Ablaufdiagramm, das einen Ablauf zum Ausführen eines Erstarrungsanalyseverfahrens eines Gussteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
3 ein Diagramm, das einen Ablauf eines Wärmeübergangs und einer Erstarrungsberechnung darstellt;
4 eine schematische Ansicht einer Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve;
5 eine schematische Ansicht von zwei Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten;
6 eine schematische Modellansicht von zwei Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten; und
6 eine Schmelztemperaturhistorie.
Im herkömmlichen Gießvorgangsanalyseverfahren wird die Bindungswärme unter Verwendung eines konstanten Verhältnisses zwischen dem Fraktionsfestkörper und der Temperatur, ungeachtet der Differenz bei der Abkühlgeschwindigkeit, berechnet. Weil die Analyse nicht beachtet, wie eine Abkühlgeschwindigkeitsveränderung das die Bindungswärme abgebende Muster beeinflusst, kann eine sehr genaue Schmelztemperaturabfall-Historie nicht vorausberechnet werden. Im Gegensatz dazu werden exemplarische Ausführungsformen der Erfindung nachstehend detailliert bezüglich der Zeichnung beschrieben, in der die die unterschiedliche Bindungswärme abgebenden Muster abhängig von den Unterschieden bei der Abkühlgeschwindigkeit betrachtet werden. Folglich kann die Schmelztemperaturabfall-Historie mit hoher Genauigkeit vorausberechnet werden.
Die nachstehend erläuterten Abläufe werden durch einen ein Programm enthaltenden Computer ausgeführt, um eine Simulation der Erstarrungsanalyse auszuführen, wie sie nachstehend detaillierter erörtert wird. Der durch ein Beispiel in 1 dargestellte Computer 10 ist ein Kleincomputer (PC), der üblicherweise eine Zentraleinheit 12 (CPU), einen Arbeitsspeicher 14 (RAM), Festwertspeicher 16 (ROM), Festplatte 18, Display 20 und Eingabeeinheit 22 aufweist, von denen jeder miteinander über einen Bus (nicht dargestellt) zum Übermitteln und Empfangen eines Signals verbunden ist.
Natürlich kann der Computer eine vereinfachtere Einheit, wie z. B. ein Mikrocontroller oder dergleichen, sein, der die Eingaben empfängt und die hier beschriebenen Funktionen ausführt. Insbesondere führt der Computer eine Wärmeübergangs-Erstarrungsanalyse auf der Basis eines Simulationsprogramms der Erstarrungsanalyse aus. Der Computer kann verschiedene von der Analyse erhaltene Informationen verarbeiten und anzeigen. Folglich führt der Computer die Funktionen der Abkühlgeschwindigkeitsberechnung, Revision bzw. Überprüfung und Erstarrungsanalyse aus, was als nächstes diskutiert wird.
In der dargestellten Ausführungsform führt die CPU 12 verschiedene Operationsarten aus, die zum Steuern bzw. Regeln von jedem oben erwähnten Teil oder der Wärmeübergangs-Erstarrungsanalyse auf der Basis des Simulationsprogramms notwendig sind. Die RAM 14 ist ein Arbeitsbereich zum vorübergehenden Speichern eines Programms oder Daten. Die ROM 16 weist verschiedene gespeicherte Programmarten oder Parameter zum Steuern einer Basisoperation des Computers 10 auf.
Die Festplatte 18 speichert ein Programm oder Daten zum Steuern einer gewünschten Operation eines Betriebssystems des Computers. Die Festplatte ist vorab mit den Programmanweisungen für die Wärmeübergangs/Erstarrungsanalyse programmiert worden, die Programme umfasst, die für die Erstellung des Analysemodells, verschiedene Eigenschaften der Wärmeübergangs/Erstarrungsanalyse, Verarbeitung und/oder Anzeige der von den Analyseergebnissen erhaltenen Informationen und weitere allgemeine Wärmeübergangs-/Erstarrungsanalyseinformationen notwendig sind. Außerdem wird die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve programmiert, die ein Verhältnis zwischen dem Fraktionsfestkörper der Legierung und der Temperatur darstellt. Die Festplatte 18 dient auch als Speicherbereich zum Speichern der Analyseergebnisse. Alternativ können die Programmanweisungen für die Wärmeübergangs/Erstarrungsanalyse in einem Aufzeichnungsmedium (z. B. CD-ROM. DVD-ROM, etc.), das im Computer 10 eingesetzt wird, gespeichert werden. Die Wärmeübergangs-Erstarrungsanalyse kann im Computer 10 durch direktes Einlesen der Programmanweisungen vom Aufzeichnungsmedium ausgeführt werden.
Das Display 20 ist z. B. ein CRT-Display oder eine Flüssigkeitskristallanzeige zum Anzeigen verschiedener Informationsarten, die von den Analyseergebnissen erhalten werden. Die Eingabeeinheit 22 ist ein Zeigegerät, wie z. B. eine Maus, Keyboard oder Touchscreen, zum Empfangen einer Eingabe von einem Bediener.
Das Erstarrungsanalyseverfahren gemäß der Ausführungsformen der Erfindung wird unter Verwendung des Computers 10 ausgeführt, wie oben erwähnt. Der gesamte Ablauf des Erstarrungsanalyseverfahrens eines Gussteils gemäß einer Ausführungsform wird bezüglich 2 erläutert.
Wie in 2 dargestellt, werden zuerst die vorab im Computer gespeicherten Analysedaten im Schritt S1 eingelesen. Hier umfassen die Analysedaten z. B. Auslegungsdaten, Flüssigkeits-Grenztemperatur TL, Festphasen-Grenztemperatur TS und eine Elementtrennnummer. Die Auslegungsdaten werden in der Erstarrungsanalyse des Gussteils verwendet, um eine Auslegung des Gussteils, Design bzw. Ausführung des Gussteils und Auslegung der Form zu bestimmen.
Die Temperatur TL der Flüssigkeitsgrenztemperatur und die Temperatur TS der festen Phasenlinie variieren abhängig vom Metall, das für das Gießen verwendet wird. Üblicherweise ist die Temperatur TL der Flüssigkeitsgrenztemperatur eine Gleichgewichtstemperatur des Schmelzkörpers. Das heißt, die Temperatur TL der Flüssigkeitsgrenztemperatur ist eine minimale Temperatur, bei der ein Kristall nicht länger besteht. Die Temperatur TS der festen Phase ist die minimale Temperatur, bei dem der geschmolzene Körper nicht länger besteht.
Ein Erstarrungsanalyseverfahren gemäß der Erfindung kann eine Analyse bezüglich Legierungen mit unterschiedlichen, die Bindungswärme abgebenden Mustern, abhängig von den Unterschieden bei der Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls, ausführen. Dieses Metall kann Gussteil-Legierungen, wie z. B. AC2A, umfassen.
Die Elementtrennnummer wird verwendet, um das Analysemodell zu erstellen, wenn die Simulation ausgeführt wird. Die Nummer ist gleich der Anzahl der Zellen, die auch als Elemente bezeichnet werden. Insbesondere ist die Elementtrennnummer gleich der Anzahl von Zellen oder Elementen eines Maschen- bzw. Gittermodells; die Elementtrennung (Elementteilung) wird bezüglich des während der Simulation verwendeten Gittermodells ausgeführt. In der Erstarrungsanalyse in der vorliegenden Ausführungsform können Verfahren für eine allgemeine Erstarrungsanalyse, wie z. B. eine Finite-Differenz-Methode FDM oder Finite-Element-Methode FEM, verwendet werden.
Im Schritt S2 werden Analysezustände, wie z. B. Eigenschaften, Anfangszustand, Grenzzustand und Berechnungssteuerungsinformation, festgelegt. Die Berechnungssteuerungsinformationen umfassen die für das Analyseverfahren notwendigen Informationen, wie z. B. eine Zählung der Anzahl der geschmolzenen Elemente ns, eine Festlegung des Zeitintervalls dt und Festlegung einer Berechnungsendzeit te. Die Eigenschaften, Anfangszustand und Grenzzustand können abhängig vom zu gießenden Metall variieren.
Im Schritt S3 wird die Formanfangstemperatur festgelegt. Üblicherweise wird die Formanfangstemperatur beim Gießablauf während der Analyse festgelegt. Während der Simulationen oder Evaluationen der Erstarrungsanalyse kann jedoch die Formanfangstemperatur variiert werden.
Die Wärmeübergangs/Erstarrungsberechnung wird im Schritt S4 auf der Basis der Formanfangstemperatur ausgeführt, und der Ablauf beendet oder wiederholt. Die Wärmeübergangs/Erstarrungsberechnung von Schritt S4 wird detailliert bezüglich 3 erläutert.
Wie in 3 dargestellt, bestimmt eine Wärmeübergangsberechnung von Schritt S21 die Wärmemenge, die von einer Zielzelle des üblichen Analysemodells abgegeben wird.
Im Schritt S22 wird eine bestimmte Temperatur TN zu einem gewünschten Zeitpunkt von einer Zielzelle aus der Wärmeübergangsmenge vom Schritt S21 berechnet. Die bestimmte Temperatur TN ist die Temperatur, die nach dem Zeitintervall dt vorausberechnet wird.
Im Schritt S23 wird eine Bestimmung darüber ausgeführt, ob die Zielzelle ein geschmolzenes Element ist. Wenn die Zielzelle kein geschmolzenes Element ist, wird der Ablauf beim Schritt S30 fortgesetzt. Ein nicht geschmolzenes Element ist eines, das sich noch nicht zur Zelle ausgebreitet hat oder schon erstarrt ist.
Wenn die Zelle ein geschmolzenes Element als Antwort auf die Abfrage von Schritt S23 ist, wird eine kontinuierliche Bestimmung im Schritt S24 initiiert, ob der Fraktionsfestkörper fs von der Zelle 1.0 ist oder nicht. Im vorliegenden Ablauf, wenn der Fraktionsfestkörper fs berechnet wird, um gleich oder größer als 1 zu sein, wird der Ablauf auf der Basis eines Fraktionsfestkörpers fs von 1.0 ausgeführt. Wenn der Fraktionsfestkörper fs 1.0 ist, ist die Zelle erstarrt; somit ist die Erstarrungsberechnung im Schritt S25 vollendet. Wenn der Fraktionsfestkörper fs kleiner als 1.0 als Antwort auf die Abfrage von Schritt S24 ist, werden die bestimmte Temperatur TN der Zelle und die Temperatur TL der Flüssigkeitsgrenztemperatur im Schritt S26 verglichen.
Wenn die bestimmte Temperatur TN der Zelle gleich oder größer als die Flüssigkeitstemperatur TL ist, wird im Schritt S26 bestimmt, dass die gesamte Zelle flüssig ist. Weil die Erstarrung noch nicht begonnen hat, geht der Ablauf beim Schritt S30 weiter.
Wenn die bestimmte Temperatur TN der Zelle kleiner als die Temperatur TL der Flüssigkeitsgrenztemperatur ist, ist die Erstarrung im Gang. An diesem Punkt wird die Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls im Schritt S27 berechnet, der Fraktionsfestkörper fs im Schritt S28 neu berechnet, und die bestimmte Temperatur TN im Schritt S29 auf der Basis der berechneten Abkühlgeschwindigkeit und des neu berechneten Fraktionsfestkörpers fs korrigiert. Beim Schritt S30 wird die neu berechnete bestimmte Temperatur TN gleich der Temperatur T von jeder Zelle gesetzt.
Die Schritte S27 bis S29 werden detailliert bezüglich 4 erläutert.
4 stellt schematisch ein Beispiel einer Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve dar. Wie oben beschrieben, wird die Bindungswärme bei einer Temperatur, die gleich oder kleiner als die Flüssigkeitsgrenztemperatur ist, gemäß der Wärme abgegeben, die abgegeben wird, wenn sich die Flüssigkeitsphase in eine feste Phase verändert. Der Fraktionsfestkörper wird durch diese Bindungswärmegabe verbessert. Zum Berechnen des Fraktionsfestkörpers während des Erstarrungsablaufes bei der berechneten Bindungswärme wird die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve verwendet.
Im Erstarrungsanalyseverfahren gemäß dieser Ausführungsform hängt die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve in 4 vom analysierten Legierungstyp ab. Auf der Basis eines Temperaturabfalls ΔT des geschmolzenen Metalls pro gewünschter Zeit dt, wird die Abkühlgeschwindigkeit v der analysierten geschmolzenen Legierung berechnet. Das Berechnungsverfahren der Abkühlgeschwindigkeit v ist nicht begrenzt und kann z. B. durch eine Abfallzeit pro gewünschtem Temperaturbereich berechnet werden. Die Analyse wird durch Überprüfen der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve in 4 durch Verwendung der berechneten Abkühlgeschwindigkeit v und Überprüfen eines Temperaturbereichs in einer Richtung, bei dem eine Temperatur wiedererlangt wird (ein Temperaturschwankungsbereich genannt), ausgeführt. Weil die Analyse durch Beachten des die Bindungswärme abgebenden Musters gemäß der Abkühlgeschwindigkeit v ausgeführt wird, kann eine genaue Temperaturabfall-Historie und Fraktionsfestkörperänderung erhalten werden.
Die Überprüfung der Temperatur wird durch die erste Berechnung des Temperaturabfalls ΔT ausgeführt. Wenn der Temperaturfall ΔT > 0 ist, tritt die Erstarrung infolge der Temperaturschwankung ein, die durch die Abgabe der Bindungswärme bewirkt wird. Gemäß Schritt S27 von 3, wird die Abkühlgeschwindigkeit v der geschmolzenen Legierung auf der Basis des Temperaturabfalls ΔT des geschmolzenen Metalls pro gewünschter Zeit dt berechnet. Danach wird im Schritt S28 die Fraktionsfestkörper-Änderung Δfs unter Verwendung der folgenden Formel berechnet: Δfs = C_p ΔT / L; (1) wobei

C_p: die spezifische Wärme; und
L: die Übergangswärme ist.

Im Schritt S29 wird die bestimmte Temperatur TN durch Überprüfen des Temperaturschwankungsbereichs korrigiert, wenn die Temperatur durch die Abgabe der Erstarrungsübergangswärme schwankt. Insbesondere wird der Temperaturschwankungsbereich in jeder Zelle auf der Basis des Ausmaßes der Fraktionsfestkörperänderung Δfs und der innerhalb einer bestimmten Zeit auftretenden Abkühlgeschwindigkeit v überprüft. Weil die Analyse durch Beachten der die unterschiedlichen Bindungswärme abgebenden Muster gemäß den Unterschieden in der Abkühlgeschwindigkeit v ausgeführt wird, kann eine genaue Temperaturabfall-Historie und Fraktionsfestkörperänderung erhalten werden.
5 stellt schematisch zwei Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten dar. 6 ist eine schematische Modellansicht von zwei Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten.
Gemäß 5 und 6 wird in den Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven eine Temperatur nach der Wiederherstellung unter Verwendung der Abkühlgeschwindigkeit v als Parameter berechnet, wenn die Temperatur schwankt. Da die Abkühlgeschwindigkeit v zunimmt, wird der Temperaturschwankungsbereich kleiner.
Wie in 5 dargestellt, weisen die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten auf. Ein Bereich von T(fs) wird von der Abkühlgeschwindigkeit des Elements zwischen einer Temperatur T(fs)max, die durch die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve mit einer langsameren Abkühlgeschwindigkeit erhalten wird, und einer Temperatur T(fs)min, die durch die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve mit einer schnelleren Abkühlgeschwindigkeit erhalten wird, unter Verwendung eines Fraktionsfestkörpers fs pro gewünschter Zeit t der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve festgelegt. Innerhalb des Bereichs von T(fs) wird die Zieltemperatur T(fs + Δfs) durch folgende Formel berechnet: T(fs + Δfs) = T(fs + Δfs)max – (v – vl) × (T(fs + Δfs)max – T(fs + Δfs)min) / v2 – vl; (2)
Ferner stellt die in 4 dargestellte Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve dar, dass eine Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve vorab durch ein Experiment, das von einem Legierungstyp abhängt, erhalten wird. T(fs) wird festgelegt, so dass die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve bei einem tatsächlichen Herstellvorgang zwischen jeder Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve existiert.
Die Formel 2 ist eine lineare Interpolation erster Ordnung. Wenn in Formel 2 die Abkühlgeschwindigkeit v1 ist, ist die Temperatur T(fs + Δfs)max. Wenn die Abkühlgeschwindigkeit v2 ist, ist die Temperatur T(fs + Δfs)min. Unter Verwendung von Formel 2 wird die Analyse mit größter Genauigkeit ausgeführt, wodurch sich genaue Bestimmungen der Temperaturabfall-Historie und der Fraktionsfestkörperänderung ergibt.
In dieser Ausführungsform werden die beiden Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten erläutert, obwohl die Ausführungsformen darauf nicht begrenzt sind. Optional kann die Zieltemperatur T(fs + Δfs) durch Interpolation berechnet werden, die ein lineares Polynom von höherer Ordnung unter Verwendung einer Mehrzahl von Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven annähert. Alternativ kann die Temperatur durch Interpolation berechnet werden, die ein lineares Polynom von zweiter Ordnung unter Verwendung von drei Fraktionsfestkörper-Temperaturkurven annähert. Die Zieltemperatur T(fs + Δfs) kann als T(fs + Δfs) = f(T(fs + Δfs)max, T(fs + Δfs)min, v) angezeigt werden, die eine Funktion von T(fs + Δfs)max, T(fs + Δfs)min und v enthält. Wenn das Ziel T(fs + Δfs) berechnet wird, kann jedes Berechnungsverfahren unter Verwendung eines Verhältnisses von T(fs + Δfs) = f(T(fs + Δfs)max, T(fs + Δfs)min, v) berechnet werden. Ferner kann diese Interpolationsoperation ein weiteres Polynom, Spline-Interpolation, etc. verwenden.
Die Historie der Schmelztemperatur kann durch kontinuierliches Ausführen der Berechnung des Temperaturschwankungsbereichs über der Zeit erhalten werden, wie oben erörtert. 7 stellt eine Historie der Schmelztemperatur eines üblichen Erstarrungsanalyseverfahrens, ein neues, hier offenbartes Erstarrungsanalyseverfahren, und tatsächlich gemessene Daten bezüglich jeden Falles dar, wenn die Erstarrung langsam ist (die Abkühlgeschwindigkeit ist langsam) und wenn die Erstarrung schnell ist (die Abkühlgeschwindigkeit ist schnell). Wie in 7 gemäß dem neuen, hier offenbarten Erstarrungsanalyseverfahren dargestellt, sind die sich ergebenden Daten viel näher an den tatsächlich gemessenen Daten als die vom üblichen Erstarrungsanalyseverfahren.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind beschrieben worden, um ein einfaches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen und sind nicht auf die Erfindung begrenzt. Abänderungen und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Lichte der oben genannten Lehre. Sie werden durch die folgenden Ansprüche definiert.
Zusammenfassend kann Folgendes festgehalten werden:
Ein Erstarrungsanalyseverfahren eines Gussteils, das eine Schmelztemperaturabfall-Historie mit größter Genauigkeit vorausberechnen kann, wird offenbart. Die Analyse wird durch Beachten von unterschiedlichen, die Bindungswärme abgebenden Mustern gemäß den Unterschieden der Abkühlgeschwindigkeiten ausgeführt. Ein Analysemodell mit einer Mehrzahl von Elementen wird verwendet. Eine Abkühlgeschwindigkeit wird in jedem Element durch Ausführen einer Berechnung des Wärmeübergangs zwischen den Elementen, die benachbart zueinander sind, berechnet. Ein Temperaturschwankungsbereich wird in jedem Element überprüft, wenn eine Temperatur von der Abgabe der Erstarrungsbindungswärme auf der Basis der berechneten Abkühlgeschwindigkeit und einer vorbestimmten Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve einer geschmolzenen Legierung schwankt. Eine Erstarrungsanalyse des Analysemodells wird unter Verwendung des überprüften Temperaturschwankungsbereichs ausgeführt.
Bezugszeichenliste

10: Computer
12: Zentraleinheit (CPU)
14: Arbeitsspeicher (RAM)
16: Festnetzspeicher (ROM)
18: Festplatte
20: Display
22: Eingabeeinheit

Claims

Erstarrungsanalyseverfahren eines Gussteils unter Verwendung eines Analysemodells mit einer Mehrzahl von Elementen mit folgenden Verfahrensschritten: – Ausführen einer Berechnung des Wärmeübergangs zwischen zueinander benachbarten Elementen; – Berechnen einer Abkühlgeschwindigkeit in jedem Element unter Verwendung der Berechnung des Wärmeübergangs zwischen dem entsprechenden Element und seinen benachbarten Elementen; – Überprüfen eines Temperaturschwankungsbereichs in jedem Element, wenn eine Temperatur durch eine Abgabe der Erstarrungsbindungswärme auf der Basis der Abkühlgeschwindigkeit, die für das entsprechende Element berechnet wird, und einer vorbestimmten Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve einer geschmolzenen Legierung schwankt; und – Ausführen einer Erstarrungsanalyse des Analysemodells unter Verwendung des überprüften Temperaturschwankungsbereichs.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve der geschmolzenen Legierung eine Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve umfasst, die von der für das entsprechende Element berechneten Abkühlgeschwindigkeit abhängt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve der geschmolzenen Legierung eine Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve mit einer unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeit umfasst; und wobei das Ausführen der Erstarrungsanalyse Folgendes aufweist: – Festlegen eines Bereichs von Temperaturen in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit des entsprechenden Elements zwischen einer Temperatur T(fs)max, die durch eine Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve erhalten wird, und einer Temperatur T(fs)min, die durch eine weitere Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve erhalten wird, die eine Abkühlgeschwindigkeit aufweist, die schneller als die einer Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve ist, unter Verwendung eines Fraktionsfestkörpers fs bei einer gewünschten Zeit t; und – Berechnen einer Zieltemperatur T(fs + Δfs) in einem Bereich in Abhängigkeit von folgendem Verhältnis: T(fs + Δfs) = f(T(fs + Δfs)max, T(fs + Δfs)min, v); wobei fs der Fraktionsfestkörper ist; Δfs die Veränderung im Fraktionsfestkörper ist; und v eine Abkühlgeschwindigkeit in Zusammenhang mit T(fs + Δfs) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verhältnis T(fs + Δfs) = f(T(fs + Δfs)max, T(fs + Δfs)min, v) gleich dem folgendem Verhältnis ist: T(fs + Δfs) = T(fs + Δfs)max – (v – vl) × (T(fs + Δfs)max – T(fs + Δfs)min) / v2 – vl; wobei v1 eine Abkühlgeschwindigkeit in Zusammenhang mit T(fs + Δfs)max ist; und v2 eine Abkühlgeschwindigkeit in Zusammenhang mit T(fs + Δfs)min ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ausführen der Erstarrungsanalyse ferner Folgendes aufweist: – Ausführen der Erstarrungsanalyse mit unterschiedlichen, die Bindungswärme abgebenden Mustern, abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit.
Erstarrungsanalyseverfahren eines Gussteils unter Verwendung eines Analysemodells mit einer Mehrzahl von Elementen, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: A) Messen eines Wärmeübergangs von jedem Element der Form auf der Basis der Bindungswärmeabgabe, B) Vorausberechnen einer bestimmten Temperatur für jedes Element auf der Basis des gemessenen Wärmeübergangs; C) Berechnen einer Abkühlgeschwindigkeit auf der Basis einer Änderung von einer Starttemperatur zur bestimmten Temperatur über ein vorbestimmtes Zeitintervall; D) Vorsehen einer Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve auf der Basis der Abkühlgeschwindigkeit und einer geschmolzenen Legierung der Form; E) Berechnen einer Änderung in einem Fraktionsfestkörper; F) Berechnen einer korrigierten bestimmten Temperatur auf der Basis der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve und der Änderung im Fraktionsfestkörper; und G) Wiederholen von A) bis F) mit der korrigierten bestimmten Temperatur als Starttemperatur.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei G) eine zweite Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve der geschmolzenen Legierung auf der Basis einer unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeit erzeugt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: – Festlegen eines Temperaturbereichs für die korrigierte bestimmte Temperatur zwischen einer Temperatur T(fs + Δfs)max auf der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve für eine langsamere Abkühlgeschwindigkeit und einer Temperatur T(fs + Δfs)min auf der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve für eine schnellere Abkühlgeschwindigkeit bei einem Fraktionsfestkörper fs zu einer gewünschten Zeit t in der Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve; und – Berechnen der korrigierten bestimmten Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs, abhängig von der Formel: T(fs + Δfs) = f(T(fs + Δfs)max, T(fs + Δfs)min, v); wobei T(fs + Δfs) die korrigierte bestimmte Temperatur ist; fs der Fraktionsfestkörper ist; Δfs die Änderung im Fraktionsfestkörper ist; und v eine Abkühlgeschwindigkeit in Zusammenhang mit T(fs + Δfs) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die korrigierte bestimmte Temperatur auf der Basis folgender Formel berechnet wird: T(fs + Δfs) = T(fs + Δfs)max – (v – vl) × (T(fs + Δfs)max – T(fs + Δfs)min) / v2 – vl; wobei v1 eine Abkühlgeschwindigkeit in Zusammenhang mit T(fs + Δfs)max ist; und v2 eine Abkühlgeschwindigkeit in Zusammenhang mit T(fs + Δfs)min ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, das Folgendes aufweist: – Ausführen von A) bis G) für Legierungen mit unterschiedlichen, die Bindungswärme abgebenden Mustern, abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit.
Erstarrungsanalysevorrichtung für ein Gussteil unter Verwendung einer Form mit einer Mehrzahl von Elementen, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: – Einrichtung zum Berechnen einer Abkühlgeschwindigkeit in jedem Element von einer Bindungswärme, die von jedem Element abgegeben wird; – Einrichtung zum Überprüfen eines Temperaturschwankungsbereichs in jedem Element infolge der Abgabe der Bindungswärme auf der Basis der berechneten Abkühlgeschwindigkeit und einer vorbestimmten Fraktionsfestkörper-Temperaturkurve einer geschmolzenen Legierung; und – Einrichtung zum Ausführen einer Erstarrungsanalyse des Analysemodells unter Verwendung des überprüften Temperaturschwankungsbereichs.