Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском
The article presents the results of research on the implementation of Industry 4.0 digital technologies in the production of critical cast components. Foundry production is the main supplier of castings for mechanical engineering. The quality of the resulting castings depends on many technological f...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/317 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Metal and Casting of Ukraine |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1862405630955880448 |
|---|---|
| author | Євтушенко, С.Д. Акімов, О.В. Альохін, В.І. |
| author_facet | Євтушенко, С.Д. Акімов, О.В. Альохін, В.І. |
| author_sort | Євтушенко, С.Д. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-04-13T07:08:36Z |
| description | The article presents the results of research on the implementation of Industry 4.0 digital technologies in the production of critical cast components. Foundry production is the main supplier of castings for mechanical engineering. The quality of the resulting castings depends on many technological factors. When addressing these tasks, specialists involved in the prepara- tion of technological processes for casting production are forced to make decisions under conditions of limited information about the physical regularities underlying these processes. This necessitates the use of modern approaches to analysis and forecasting. Therefore, one of the key stages in creating a highly efficient technological process for producing cast parts is engineering simulation and the design of casting processes using specialized software systems, which allow highly accurate reproduction of the physical and technological processes occurring during casting formation. The aim of this study is to improve the quality of critical castings produced by the squeeze casting method through the application of engineering simulation and advanced casting process design. Based on the results of numerical simulation of the casting cooling process and analysis of temperature field distribution, the behavior of liquid, semi-solid, and solid phases within its volume has been determined. This made it possible to analyze in detail the sequence of cooling and solidification of the casting. The obtained results indicate the presence of critical solidification zones in which the last volumes of liquid metal are isolated from feeding, which directly indicates the need to adjust technological casting parameters or pressing pressure to prevent the occurrence of gas-shrinkage defects. It was established that castings produced without applied pressure and at a pressure of 5.0 MPa contain casting defects, including isolated and clustered cavities up to 3 mm in size. At a pressure of 15.0 MPa, looseness and isolated cavities up to 1.5 mm were observed. At pressures of 40.0 MPa and higher, no casting defects were detected. Both modeling and experimental studies confirmed that for a dimensional range of pistons with diameters of 150–210 mm produced from aluminum alloys AK12M2MgN and AK21M2.5N2.5, a pressing pressure of 40.0 MPa is sufficient to obtain defect-free castings. During the industrial experiment, the influence of heat treatment on the microstructure of samples made from alloy AK12M2MgN was also investigated. The following types of heat treatment were applied: 1) aging at 200 ºC; 2) quenching at 495 ºC followed by aging at 195 ºC; 3) aging at 220 ºC; 4) quenching at 510 ºC followed by aging at 250 ºC. The study of sam- ples in all variants revealed that their microstructure consists of dendrites of the α solid solution containing eutectic inclusions in the form of colonies and silicon-based particles. Samples produced without the application of pressure and subjected to all types of heat treatment exhibited a somewhat coarser microstructure (the eutectic showing a more pronounced needle-like morphology, with silicon distributed in clusters) compared to the other variants, where a fine-dispersed microstructure with a more clearly defined preferential orientation of α-solid-solution dendrites along the axes was observed. When a pressure of 40.0 MPa was applied, significant coagulation of eutectic inclusions and their more uniform distribution throughout the polished section were noted. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2026.01.046 |
| first_indexed | 2026-04-14T01:00:16Z |
| format | Article |
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-317 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-04-14T01:00:16Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-3172026-04-13T07:08:36Z Engineering Modeling and Design of Processes for Producing Critical Castings by the Method of Squeeze Casting Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском Євтушенко, С.Д. Акімов, О.В. Альохін, В.І. Squeeze casting engineering simulation quality pressing pressure heat treatment лиття із кристалізацією під тиском інженерне моделювання якість тиск пресування термічна обробка The article presents the results of research on the implementation of Industry 4.0 digital technologies in the production of critical cast components. Foundry production is the main supplier of castings for mechanical engineering. The quality of the resulting castings depends on many technological factors. When addressing these tasks, specialists involved in the prepara- tion of technological processes for casting production are forced to make decisions under conditions of limited information about the physical regularities underlying these processes. This necessitates the use of modern approaches to analysis and forecasting. Therefore, one of the key stages in creating a highly efficient technological process for producing cast parts is engineering simulation and the design of casting processes using specialized software systems, which allow highly accurate reproduction of the physical and technological processes occurring during casting formation. The aim of this study is to improve the quality of critical castings produced by the squeeze casting method through the application of engineering simulation and advanced casting process design. Based on the results of numerical simulation of the casting cooling process and analysis of temperature field distribution, the behavior of liquid, semi-solid, and solid phases within its volume has been determined. This made it possible to analyze in detail the sequence of cooling and solidification of the casting. The obtained results indicate the presence of critical solidification zones in which the last volumes of liquid metal are isolated from feeding, which directly indicates the need to adjust technological casting parameters or pressing pressure to prevent the occurrence of gas-shrinkage defects. It was established that castings produced without applied pressure and at a pressure of 5.0 MPa contain casting defects, including isolated and clustered cavities up to 3 mm in size. At a pressure of 15.0 MPa, looseness and isolated cavities up to 1.5 mm were observed. At pressures of 40.0 MPa and higher, no casting defects were detected. Both modeling and experimental studies confirmed that for a dimensional range of pistons with diameters of 150–210 mm produced from aluminum alloys AK12M2MgN and AK21M2.5N2.5, a pressing pressure of 40.0 MPa is sufficient to obtain defect-free castings. During the industrial experiment, the influence of heat treatment on the microstructure of samples made from alloy AK12M2MgN was also investigated. The following types of heat treatment were applied: 1) aging at 200 ºC; 2) quenching at 495 ºC followed by aging at 195 ºC; 3) aging at 220 ºC; 4) quenching at 510 ºC followed by aging at 250 ºC. The study of sam- ples in all variants revealed that their microstructure consists of dendrites of the α solid solution containing eutectic inclusions in the form of colonies and silicon-based particles. Samples produced without the application of pressure and subjected to all types of heat treatment exhibited a somewhat coarser microstructure (the eutectic showing a more pronounced needle-like morphology, with silicon distributed in clusters) compared to the other variants, where a fine-dispersed microstructure with a more clearly defined preferential orientation of α-solid-solution dendrites along the axes was observed. When a pressure of 40.0 MPa was applied, significant coagulation of eutectic inclusions and their more uniform distribution throughout the polished section were noted. У статті представлено результати досліджень щодо впровадження цифрових технологій Industry 4.0 у виробництво литих деталей відповідального призначення. Ливарне виробництво є основним постачальником виливків для машинобудування. Якість отриманих виливків залежить від багатьох технологічних факторів. Під час вирішення зазначених завдань фахівці у сфері підготовки технологічних процесів виготовлення виливків змушені приймати рішення в умовах обмеженої інформації про фізичні закономірності перебігу процесів. Це обумовлює необхідність застосування сучасних підходів до аналізу та прогнозування. Тому одним із визначальних етапів створення високоефективного технологічного процесу отримання литих деталей є інженерне моделювання та проєктування ливарних процесів із застосуванням спеціалізованих програмних комплексів, які дозволяють з високою точністю відтворювати фізико-технологічні процеси, що відбуваються під час формування виливків. Метою роботи є підвищення якості виливків відповідального призначення, одержаних методом лиття з кристалізацією під тиском на основі використання інженерного моделювання та проєктування процесів лиття. На основі результатів чисельного моделювання процесу охолодження виливка та аналізу розподілу температурних полів встановлено характер існування рідкої, напівтвердої та твердої фаз у його об’ємі. Це дозволило детально проаналізувати послідовність охолодження та затвердіння виливка. Отримані результати свідчать про наявність критичних зон затвердіння, в яких останні обсяги рідкого металу ізольовані від живлення, що безпосередньо вказує на необхідність корекції технологічних параметрів лиття або тиску пресування для запобігання появи дефектів газоусаджувального характеру. Встановлено, що на виливках, одержаних без застосування тиску і при тиску 5,0 МПа, є дефекти ливарного походження — окремі та сконцентровані раковини розміром до 3 мм. При тиску 15,0 МПа спостерігалися рихлоти та окремі раковини до 1,5 мм. При тиску від 40,0 МПа та вище ливарних дефектів не виявлено. Методом моделювання та експериментально було встановлено, що для розмірного ряду поршнів діаметром 150...210 мм з алюмінієвих сплавів АК12М2МгН та АК21М2,5Н2,5, тиск пресування 40,0 МПа достатній для отримання бездефектних виливків. Під час проведення промислового експерименту одночасно визначали вплив термообробки на мікроструктуру зразків зі сплаву АК12М2МгН. Використовували такі типи термічної обробки: 1) старіння 200 ºС; 2) гартування 495 ºС і старіння 195 ºС; 3) старіння 220 ºС; 4) гартування 510 ºС і старіння 250 ºС. При дослідженні зразків усіх варіантів встановлено, що мікроструктура їх складається з дендритів α-твердого розчину включень евтектики у вигляді колоній і включень на основі кремнію. На зразках без застосування навантаження з усіма видами термообробки виявлена дещо грубіша структура (евтектика має більш грубу голчасту будову, кремній розташовується скупченнями), у порівнянні з іншими варіантами, на яких відзначається тонкодисперсна структура з більш чітко вираженою переважною орієнтацією дендритів α-твердого розчину вздовж осей. При додатку навантаження 40,0 МПа відзначається значна коагуляція включень евтектики, їх рівномірний розподіл по полю шліфа. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026-03-31 Article Article application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/317 10.15407/steelcast2026.01.046 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 34 No. 1 (2026): Metal and Casting of Ukraine; 46-54 Метал та лиття України ; Том 34 № 1 (2026): Метал та лиття України; 46-54 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/317/311 Авторське право (c) 2026 С.Д. Євтушенко, О.В. Акімов, В.І. Альохін https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | лиття із кристалізацією під тиском інженерне моделювання якість тиск пресування термічна обробка Євтушенко, С.Д. Акімов, О.В. Альохін, В.І. Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| title | Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| title_alt | Engineering Modeling and Design of Processes for Producing Critical Castings by the Method of Squeeze Casting |
| title_full | Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| title_fullStr | Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| title_full_unstemmed | Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| title_short | Інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| title_sort | інженерне моделювання та проєктування процесів одержання виливків відповідального призначення методом лиття з кристалізацією під тиском |
| topic | лиття із кристалізацією під тиском інженерне моделювання якість тиск пресування термічна обробка |
| topic_facet | Squeeze casting engineering simulation quality pressing pressure heat treatment лиття із кристалізацією під тиском інженерне моделювання якість тиск пресування термічна обробка |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/317 |
| work_keys_str_mv | AT êvtušenkosd engineeringmodelinganddesignofprocessesforproducingcriticalcastingsbythemethodofsqueezecasting AT akímovov engineeringmodelinganddesignofprocessesforproducingcriticalcastingsbythemethodofsqueezecasting AT alʹohínví engineeringmodelinganddesignofprocessesforproducingcriticalcastingsbythemethodofsqueezecasting AT êvtušenkosd ínženernemodelûvannâtaproêktuvannâprocesívoderžannâvilivkívvídpovídalʹnogopriznačennâmetodomlittâzkristalízacíêûpídtiskom AT akímovov ínženernemodelûvannâtaproêktuvannâprocesívoderžannâvilivkívvídpovídalʹnogopriznačennâmetodomlittâzkristalízacíêûpídtiskom AT alʹohínví ínženernemodelûvannâtaproêktuvannâprocesívoderžannâvilivkívvídpovídalʹnogopriznačennâmetodomlittâzkristalízacíêûpídtiskom |