Einsparung von Wärmebehandlungsschritten bedeutet Kosteneinsparung

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Published on
2018-12-21
Written by
Mikko Hinkkanen

Fertigungskosten senken mit MAGMASoft

Viele unserer Kunden fragen mich, ob wir ihnen helfen können, die Herstellungskosten zu senken.

Die kurze Antwort lautet: Ja!

Wir haben ein großartiges Beispiel mit zwei unserer Kunden, die unsere Gießsimulationssoftware MAGMASoft verwenden und ihre Herstellungskosten senken konnten. MAGMASoft ermöglicht die Analyse der Herstellung von Gussprodukten und die Vorhersage der Leistungsfähigkeit des Endprodukts. Wir können auch MAGMASoft zu ANSYS hinzufügen, um zusätzliche Produktleistungsanalysen wie z.B. Ermüdung durchzuführen.

Lesen Sie die vollständige Referenz von Componenta und Wärtsilä

Eigenspannungen, die im Gießprozess während der Erstarrung und Abkühlung entstehen, können bei der anschließenden Bearbeitung oder beim Einsatz der Bauteile Probleme verursachen. In einem speziellen Fall haben wir nach der Lagerung eines Hauptlagerdeckels aus duktilem Gusseisen für Schiffsanwendungen Veränderungen in den Maßen festgestellt. Aus diesem Grund war es üblich, nach dem Gießen eine Glühwärmebehandlung durchzuführen, um Eigenspannungen abzubauen.

Die finnische Gießereigruppe Componenta und der Hersteller von Schiffs- und Energiekomponenten Wärtsilä untersuchten gemeinsam, ob es möglich wäre, den Glühschritt für Hauptlagerdeckel aus Gusseisen wegzulassen. Die Teile werden in der Regel etwa einen Tag lang einer Wärmebehandlung bei etwa 550-600 °C unterzogen. Der Verzicht auf diesen Glühvorgang hätte den Vorteil, dass die Durchlaufzeiten in den Gießereien verkürzt würden und ein erhebliches Kosteneinsparungspotenzial bestünde. Beide Partner sind es gewohnt, die von MAGMASOFT® generierten Informationen während des Gießprozesses zu nutzen.

Simulationen und Messungen wurden durchgeführt, um genaue Abkühlbedingungen von der Erstarrung bis zum Ausschlagen zu finden. Diese bilden die Grundlage für zuverlässige Eigenspannungsergebnisse.

Die simulierten Spannungen wurden mit Messungen an den hergestellten Gussteilen verglichen, um den Eigenspannungszustand der Hauptlagerdeckel vollständig zu nachvollziehen zu können.

Schließlich wurden Dimensionsmessungen an Hauptlagerdeckeln ohne Wärmebehandlung vor und nach der Lagerung durchgeführt, um die Robustheit der Gussteile gegenüber Dimensionsänderungen während der Lagerung zu überprüfen.

Zur Messung der Abkühlkurven wurden Sensoren in den Formhohlraum eingebracht, die Form wurde geschlossen und unter normalen Produktionsbedingungen gegossen. Nach 24 Stunden Abkühlung wurde der Guss ausgeschüttelt, und die Temperaturen lagen zu diesem Zeitpunkt bei etwa 290 °C. Um die Temperaturen mit den gemessenen Kurven zu vergleichen, wurden virtuelle Thermoelemente an denselben Stellen des simulierten Modells angebracht.

Die ursprünglich simulierten Abkühlkurven wichen stark von den in der Produktionsform gemessenen Kurven ab. Aufgrund der Erfahrungen mit anderen Simulationsprojekten wurde beschlossen, die Sandeigenschaften für die Simulation anzupassen, um eine bessere Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Kurven zu erreichen. Anschließend wurde der Gießprozess simuliert, um die Eigenspannungsbildung anhand der mit diesem inversen Verfahren ermittelten Sandeigenschaften vorherzusagen.

Danach wurden reale Gussteile hergestellt und deren Eigenspannungen mittels Röntgenbeugung an zwei Stellen in zwei senkrechten Koordinatenrichtungen auf der Gussoberfläche gemessen. Die Spannungen an den Gießoberflächen werden in der Regel durch den Kugelstrahlprozess beeinflusst, der hohe Druckspannungen im Material in etwa 1 mm Entfernung von der Oberfläche erzeugt. Ein Vergleich von gemessenen und simulierten Eigenspannungen ist daher nur für das Material unterhalb dieser Schicht gültig.

Die von-Mises-Spannungen wurden aus den gemessenen Spannungen in beide Richtungen berechnet. Die Werte für Messpunkt 1 sind in der obigen Abbildung zusammen mit den entsprechenden Simulationsergebnissen zu sehen.

An Position 1 des Gussteils beträgt die simulierte Eigenspannung etwa 45 MPa, was durch die gemessenen Werte bestätigt wird, die zwischen 16 und 53 MPa schwanken (von 1,5 bis 5 mm unter der Gussoberfläche).

Die simulierte Verteilung der maximalen Hauptspannung im Hauptlagerdeckel ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Die höchsten Spannungen treten in der Mitte des Gussteils auf, also in einem nicht kritisch belasteten Bereich. Die maximale Hauptspannung beträgt etwa 60 MPa.

Die Simulation mit MAGMASOFT® zeigte, dass die beim Gießen und Abkühlen auftretenden Eigenspannungen nicht ausreichen, um das Bauteil signifikant zu verformen. Aus Sicht der Spannungsbewertung waren keine signifikanten Maßänderungen zu erwarten, wenn das Gussteil einige Zeit ohne vorherige Spannungsarmglühung gelagert wurde.

Um diese Annahme zu überprüfen, wurden 3 Hauptlagerdeckel ohne Glühung bearbeitet. Ihre genauen Abmessungen wurden in einer 3-D-Koordinatenmessmaschine gemessen, bevor sie einen Monat lang gelagert wurden.

Die Messung nach der Lagerung ergab, dass die Abmessungen nicht wesentlich von denen direkt nach dem Gießen abwichen. Alle Maße lagen innerhalb der Toleranzen, insbesondere die kritischen. Folglich wurde auf das Spannungsglühen bei dieser Art von Guss verzichtet, was für beide Seiten eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis bedeutete.

Kontaktieren Sie uns wenn Sie mehr über MAGMASoft erfahren möchten

Mikko Hinkkanen

*Diese Referenzen wurden von der MAGMASoft GmbH erstellt und veröffentlicht und werden von PDSVISION verwendet. PDSVISION ist seit vielen Jahren MAGMASoft-Partner und bietet Schulungen, Beratung und Support für MAGMASoft-Anwender.

Wärtsilä aus Finnland ist ein weltweit führender Anbieter von Schiffsmotoren und Kraftwerken.

Componenta ist ein finnisches Technologieunternehmen, das sich auf die Lieferung von Gusseisen und bearbeiteten Komponenten spezialisiert hat.

Mit freundlicher Genehmigung von Wärtsilä und Componenta, Finnland

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