التقنية الأساسية：SolidWorks Flow Simulation (وحدة السوائل)، SolidWorks Simulation (وحدة الديناميكا الحرارية)

مجالات التطبيق：تصميم وتصنيع صناديق الرمل لصب جسم ماكينات QT450-10 من الحديد الزهر الكروي

أولاً: المقدمة — التحديات الأساسية والمتطلبات التقنية لتصنيع صناديق الرمل لصب الفيروز

بصفتنا مصنعًا متخصصًا في إنتاج أجزاء ماكينات ثقيلة، واجه مصنعنا قبل عام 2025 مشكلة طويلة الأمد تتعلق بـ عدم توافق تصميم صندوق الرمل مع سيولة المعدن المصهور: عند استخدام طريقة "النمذجة التجريبية التقليدية"، كان توزيع مدخلات الصب غير مناسب، وتبديد الحرارة في القالب غير متساوٍ، ومقاومة مجرى الصب عالية، مما أدى إلى مشاكل جودة مثل العيوب الباردة (12.8٪)، الانكماش/الفراغات (9.5٪)، الثقوب الهوائية (7.2٪). فقط في عام 2024، بلغت خسائر المنتجات المعيبة بسبب تصميم صناديق الرمل 1.86 مليون يوان، واستغرق اختبار النماذج 2-3 أسابيع، مما أثر بشدة على كفاءة تسليم الطلبات.

لحل هذه المشكلات، قامت الإدارة التقنية في يناير 2025 بإدخال وحدات SolidWorks للسوائل والديناميكا الحرارية، لإجراء محاكاة وتحسين للعلاقة بين "هيكل صندوق الرمل - تدفق المعدن المصهور - تغير المجال الحراري"، بهدف أساسي هو: التنبؤ رقميًا بمسار تدفق المعدن المصهور وقوانين تبديد الحرارة، وتحسين تصميم صندوق الرمل، بحيث تنخفض نسبة العيوب الأساسية للقطع المصبوبة إلى أقل من 5٪، ويتم تقليص فترة اختبار النماذج إلى أسبوع واحد.

ثانياً: الحل التقني باستخدام SolidWorks — تطبيق مشترك لوحدات السوائل والديناميكا الحرارية

2.1 النمذجة الأولية — إعادة إنشاء سيناريوهات الصب الحقيقية

بناءً على الرسومات ثلاثية الأبعاد لجسم ماكينة (الأبعاد 2800مم × 1200مم × 600مم، وزن 3.2 طن)، تم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد 1:1 لصندوق الرمل، القنوات الرأسية والأفقية والداخلية، المغذيات، ومخارج الهواء باستخدام SolidWorks، مع المعايير الرئيسية:

· مادة صندوق الرمل: رمل راتنجي (معامل انتقال الحرارة 0.32 W/(m·K)، السعة الحرارية 1100 J/(kg·K))؛

· المعدن المصهور: الحديد الزهر الكروي QT450-10 (درجة صب 1380℃، كثافة سائلة 6800kg/m³، لزوجة 0.006Pa·s، نطاق التجمد 1150-1200℃)؛

· نظام الصب: صب من القاع + مغذيات جانبية (قطر المدخل الرأسى 80مم، مساحة القناة الأفقية 6000مم²، عدد القنوات الداخلية 4).

خلال النمذجة، تم التركيز على الفجوة بين القالب والقطع (3-5مم طبقة طلاء)، وتوزيع مخارج الهواء (مسافة 200مم، قطر 10مم) لضمان تطابق النموذج مع الواقع.

2.2 وحدة السوائل (Flow Simulation) — تحسين خصائص تدفق المعدن المصهور

2.2.1 إعدادات المحاكاة

تم استيراد نموذج صندوق الرمل إلى وحدة SolidWorks Flow Simulation، واختيار تحليل "تدفق المعدن السائل" مع الإعدادات الأساسية:

· الشروط الحدودية: مدخل القناة الرأسية "تدفق كتلي" (1.2kg/s)، جدران صندوق الرمل "بدون انزلاق"، مخارج الهواء "ضغط جوي"؛

· النموذج الفيزيائي: تفعيل "السائل غير نيوتوني" (لأن لزوجة الحديد الزهر تتغير مع درجة الحرارة)، "تأثير الجاذبية" (-9.81 m/s²)؛

· تقسيم الشبكة: الشبكات الدقيقة (5مم) للقنوات والمغذيات، الشبكات الخشنة (20مم) للجدار الخارجي، بإجمالي حوالي 1.2 مليون شبكة.

2.2.2 نتائج المحاكاة وتحسين الهيكل

المحاكاة الأولية أظهرت مشكلتين رئيسيتين:

1. عدم تساوي سرعة القنوات الداخلية — القنوات 1#،2# سرعة 1.8m/s (سريعة جدًا)، القنوات 3#،4# سرعة 0.6m/s (بطيئة جدًا)؛

2. المناطق الميتة للتدفق — الزوايا (R50mm) بها توقف في التدفق، ووقت ملء يزيد عن 8 ثوان (أكثر من الوقت الحرج للتجمد 6 ثوان)، مما يؤدي إلى فراغات.

لتحسين ذلك، تم تعديل التصميم باستخدام ميزة "تحليل تحسين المعلمات":

· تعديل مساحة القنوات الداخلية من 6000مم² موحدة إلى تصميم تدريجي (1#،2#: 5000مم²، 3#،4#: 7000مم²) لموازنة السرعات؛

· تغيير الزوايا إلى "زوايا دائرية توجيهية" (R80mm) وإضافة قناة داخلية مساعدة (قطر 50مم) للقضاء على المناطق الميتة.

بعد التحسين، السرعة داخل القنوات 1.1-1.3m/s، ووقت الملء 5.2s، وتحسنت التجانس بنسبة 42٪.

2.3 وحدة الديناميكا الحرارية (Simulation) — التحكم في المجال الحراري وعملية التجمد

2.3.1 بناء نموذج المحاكاة

استيراد نموذج الصندوق المحسن إلى وحدة SolidWorks Simulation، واختيار "تحليل حراري لحظي"، مع إنشاء نموذج نقل حراري "صندوق الرمل - المعدن - البيئة"، الإعدادات:

· خصائص الحرارة للمواد: الحديد الزهر السائل 18 W/(m·K)، الصلب 35 W/(m·K)، صندوق الرمل 15 W/(m²·K)؛

· الظروف الأولية: المعدن 1380℃، صندوق الرمل 25℃؛

· مدة التحليل: 3600s لتغطية "الملء - التجمد - التبريد".

2.3.2 نتائج المحاكاة وتحسين الهيكل

المشاكل المكتشفة:

1. عدم كفاية التغذية بالمغذيات — مركز القطعة 1150℃ بعد 850s، مركز المغذي 1150℃ بعد 720s، يؤدي إلى فراغات؛

2. عدم تساوي التبريد — أسفل الصندوق يبرد بسرعة 250℃/h، مما يسبب إجهاد حراري وانكسار.

التحسينات:

· تكبير المغذي: القطر 150 → 180مم، الارتفاع 200 → 250مم، وقت التجمد 950s؛

· إضافة طبقة عزل أسفل الصندوق 50مم من الصوف السيراميكي، تقليل معدل التبريد 120℃/h.

بعد التحسين: فرق التجمد بين المركز والمغذي 230s، والانحراف الحراري انخفض 54٪.

2.4 التحقق من التوافق — المحاكاة المشتركة للسوائل والديناميكا الحرارية

باستخدام ميزة "المجالات الفيزيائية المتعددة"، تم دمج بيانات سرعة السوائل كشرط حدودي للتدفق القسري في التحليل الحراري، وظهرت نتائج دقيقة: وقت التجمد 880s قريب من الإنتاج الفعلي 890s، الخطأ 1.1٪ فقط.

ثالثاً: التحقق العملي — تصنيع صندوق الرمل وتحسين جودة القطع

3.1 تصنيع صناديق الرمل

باستخدام الرسومات المحسنة، أنتجت الورشة صناديق الرمل: التحكم الدقيق في أبعاد القنوات والمغذيات، دقة المغذيات (±2مم)، وسمك طبقة العزل، واختبار أول نموذج خلال 5 أيام فقط (58٪ أسرع من التقليدي).

3.2 فحص جودة القطع

بين مارس ويونيو 2025، أنتجت 120 قطعة QT450-10 باستخدام صناديق الرمل المحسنة، وتم التحقق من الجودة بـ "فحص خارجي + اختبارات غير تدميرية (UT/MT) + اختبار الخصائص الميكانيكية":

ثلاثة قطع تم إرسالها للجهات الفاحصة الثالثة (مركز الجودة الوطني لمنتجات الصب) وتم الحصول على تصنيف داخلي المستوى 2 وفق GB/T 7233.1-2019، مقارنة بالمستوى 4 قبل التحسين، وهو يلبي تمامًا متطلبات الدقة العالية لأجسام الماكينات الثقيلة.

3.3 تقييم الفوائد الاقتصادية

حتى يونيو 2025، تم تقليل 11 قطعة معيبة، وتوفير حوالي 352 ألف يوان في تكلفة المواد الخام، وتقليل خسائر الانتظار 286 ألف يوان؛ وزيادة الطلبات الجديدة 3 عقود (450 ألف يوان)، ليصل إجمالي الفوائد الاقتصادية إلى أكثر من 5 ملايين يوان.

رابعاً: الاستنتاجات والتطلعات

1. الاستنتاج التقني：وحدة السوائل تتنبأ بدقة بمسار تدفق المعدن، وتحسن توزيع القنوات وسرعة التدفق؛ وحدة الديناميكا الحرارية تتحكم بالمجال الحراري وتزيد فعالية التغذية بالمغذيات، معًا يمكن خفض معدل العيوب الأساسية إلى أقل من 5٪.

2. التخطيط المستقبلي：إدخال ميزة "تحسين الطوبولوجيا" لتقليل وزن صندوق الرمل مع الحفاظ على القوة؛ وبناء قاعدة بيانات لمحاكاة السوائل والديناميكا الحرارية لتقليص فترة تصميم صناديق الرمل للمنتجات الجديدة.