Casting simulation of teeth for excavators
2.1.2 Materialdata för vitjärn
Samma sak gjordes med den vitjärnlegering som användes. Den kemiska sammansättningen som används syns nedan i diagrammen.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
8
Figur 11 Bilden visar den kemiska sammansättningen för det simulerade vitjärnet i projektet
Nedan syns de termofysikaliska data som JMatPro räknade fram för vitjärnet.
Figur 12 Diagrammet visar vitjärnet densitet som funktion av temperaturen
Figur 13 Diagrammet visar andel flytande fas som funktion av temperaturen för vitjärnet 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 Fe Cr V Mo C Mn Si N P S Al 74.30 15 3.5 3 2.8 0.5 0.8 0.03 0.03 0.02 0.02 An de l [ %] Grundämne
Vitjärn Wp4
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
9
Figur 14 Diagrammet visar entalpin som funktion av temperaturen
Figur 15 Diagrammet visar den specifika värmen som funktion av temperaturen
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
10
Figur 17 Diagrammet visar konduktiviteten som funktion av temperaturen
Figur 18 Diagrammet visarviskositeten som funktion av temperaturen
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
11
3 Resultat och diskussion
Initialt fanns idén att ta fram en jämntjock platta för att därefter bearbeta den ner till önskad dimension. Då vitjärn är väldigt hårt och mödosamt att bearbeta finns det istället en stor vinst med att konstruera vitjärndetaljen så att så lite efterbearbetning som möjligt behövs. Grävtanden är inte helt jämntjock utan har varierad tjocklek. Den har en grövre sektion strax bakom inloppet. Detta gör att det bildas ett värmecentra som med stor sannolikhet värmer upp vitjärnet för mycket. För att motverka det krävs det ”mer” vitjärn strax innanför inloppet för att få en så jämn uppsmältning som möjligt.
Tabellen nedan redovisar de olika utföranden på plattan som simulerats.
Designtabell
Benämning Nummer Geometri
Design 1 1.8 1.10 1.12 1.14 Design 2 Design_2.1 Design_2.2
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_ 12 Design_2.3 Design_2.4 Design_2.5 Design_2.6 Design_2.7 Design_2.8
Bilderna nedan visar ett axplock av de resultat från de utföranden som simulerats. Resultatet från varje simulering har studerats. Därefter har ändringar gjort i syfte att få ett bättre stelningsförlopp.
Design 2.3
Slutsats: Öka dimensionen på plattan för att minska mängden uppsmältning av
vitjärnet.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
13
Slutsatsen: Öka dimensionen på den främre delen av tanden för att förhindra
uppsmältning där.
Design 2.5
Slutsats: Ökningen av dimension i framsida ej tillräcklig, ytterligare ökning
krävs.
Design 2.6
Slutsats: Ingen uppsmältning av tandens främre region. Något för lite
uppsmältning i den bakre regionen.
Design 2.7
Slutsats: Med en något tunnare platta gavs uppsmältning i den främre änden av
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
14
Design 2.8
I Design 2.8 visar simuleringen ett stelningsförlopp där den bakre delen av vitjärnet delvis smälter upp. I framkant på vitjärnet sker dock ingen uppsmältning. Diagrammet nedan visar temperaturkurvan på samtliga termoelement i vitjärnplattan. Termoelementen sitter 2mm in på ytan.
Figur 20 Bilden visar ett exempel på hur termoelementen modellerats i simuleringen. I detta fall, 4mm in från ytan.
Simuleringsresultatet visar att det i tanden kommer finnas tre typer av områden; 1. Områden som inte når upp till Stelningstemperaturen
2. Områden som delvis smälts upp (ligger inom stelningsintervallet) 3. Områden som överstiger smälttemperaturen för vitjärnet.
Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
15
Figur 21 Diagrammet visar temperaturen från varje termoelement i vitjärnsplattan.
Genom att utföra försök med den aktuella designen i version 2.8 är förhoppningen att få fram en grävtand med en ingjuten vitjärnsplatta som har olika mycket uppsmält vitjärn. Vid gjutförsök på Österby gjuteri bör även andra förslag på design finnas med. (dessa föreslår jag att vi disskuterar på ett fysiskt möte). Då kan andra alternativ som har legat ”nära” den slutgiltiga designen också finnas med som en reserv samt källa för att kunna undersöka hur det påverkar resultat om t.ex. ingen uppsmältning sker av vitjärnsplattan eller om hela plattan har smälts upp. Indikationerna från metallurgerna på Swerea SWECAST säger att egenskaperna hos vitjärnet inte bör påverkas även om hela plattan smälts upp. Vitjärnsbildningen är beroende av bl.a. av svalningshastigheten (får ej vara för låg) men eftersom det aktuella vitjärnet innehåller en del karbidstabiliserande ämnen bör det inte vara någon fara.
När de första plattorna finns färdiga föreslår jag att dessa kapas isär och att bindningen mellan vitjärnet och stålet undersöks i mikroskop. I det område där den bästa bindningen hittas placeras också givare in i simuleringen för att sedan plocka ut den exakta temperaturkurvan. Därefter modifieras plattan för att få liknande temperaturkurva i större delar av plattan. På så sätt ges den bästa metalliska bindningen i så stor
4 Slutsats
Abetet med att utforma en design för vitjärnet har kantats med flera svåra frågor. Något som är av stor betydelse och som är svårt att exakt veta är vilket värmeövergångstal som skall använda mellan vitjärnet och stålet. HTC (Heat transfer coefficient) påverkar hur fort värmen från stålet kan tas upp av vitjärnet. Således bestämmer det också vilken temperatur som vitjärnet får och även då om
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Te mp era tu r ( C° ) Tid (s)
Design 2.8
TC01 TC02 TC03 TC04 TC05 TC06 TC07 TC08 TC09 TC10 TC11 TC12Swerea SWECAST AB Rapportnr 2013-xxx_
16
de kommer att börja smälta. Som ingångsvärden användes HTS-värden på 5000W/m2K. Efter att ha studerat de initiala simuleringarna och med erfarenheter från det tidigare projektet ökades dock värdet på till 10000 W/m2K. Vad som är det korrekta är svårt att veta. Resultat från kommande provgjutningar kommer ge indikikationer på om bl.a. HTC värdet ligger i rätt område.
Förhoppningen är att den slutgiltiga utformningen på vitjärnsplattan ska ge delvis uppsmält vitjärn. På detta sätt är det lättare att återkoppla med de simuleringar som utförts för att korrigera eventuell indata som t.ex. HTC-värdet.
5 Fortsatt arbete
Efter de kommande provgjutningarna kan en återkoll göras mot de simulerade värdena. Finns en skillnad mellan det förväntade uppsmältningen och det faktiskta utfallet kan simuleringar köras om med en mer anpassad indata.
Swerea SWECAST AB Status Öppen
Projekt nr Projekt namn
1854 Multifunctional properties
Författare Rapport nr Datum
Stefan Fredriksson 2013-001_ 2013-04-xx
Adress/Address Telefon/Telephone Telefax/Fax E-post/E-mail Swerea SWECAST AB Nat 036-30 12 00 Nat 036-16 68 66 swecast@swerea.se P O Box 2033 Int +46 36-30 12 00 Int +46 36-16 68 66 www.swereaswecast.se SE-550 02 Jönköping, Sweden