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知识篇:考虑铸型强度的球墨铸铁件冒口计算方法

目前应用于球墨铸铁件的冒口设计方法主要有收缩模数法、实用冒口法和通用冒口法。基于几何的冒口优化方法,虽然能对冒口大小设计进行优化,但没有考虑合金材质,球墨铸铁糊状凝固及石墨化膨胀特性,因此对球墨铸铁件冒口设计不一定适用,同时都有一些自身无法克服的缺陷,为此,急需提出一种考虑铸型强度的球墨铸铁件冒口计算方法,并应用于实际球墨铸铁件冒口设计中。

球墨铸铁件在凝固过程中的共晶石墨析出会产生膨胀力,又因为糊状凝固特性导致铸件在凝固初期难以形成坚硬外壳,此时凝固产生的膨胀压力便会作用于铸型,当铸型强度不够好时,会产生胀型,使铸件收缩增大,当铸型强度比较好时,膨胀压力作用于铸件本身实现自补缩,收缩量减小,因此球墨铸铁件的冒口设计不同于铸钢件,需要综合考虑铸型强度、铸件结构等多种复杂因素。笔者以某球铁铸件为例,在华铸CAE平台进行凝固过程模拟。

工艺介绍

选择QT400-18合金,合金成分为C 3.5%、Si 2.6%,浇注温度为1 400 ℃,铸型温度为20 ℃,铸型类型为砂型,铸型强度依次选择好、中等、差,不考虑充型铸型流动的影响,假设瞬间充型,只计算纯凝固过程。

案例介绍

以收缩模数法为基础,首先根据铸件模数计算冒口模数MR,随后在三维造型软件中进行铸造工艺设计,然后进行凝固过程数值模拟,根据模拟结果分析铸件的缩孔缩松分布情况。如果在冒口附近的铸件区域有缩孔缩松,说明冒口设计不合理,进而修改冒口尺寸,继续进行数值模拟,直至铸件被补缩区域无缩孔缩松,此时的冒口定义为优化冒口,其模数表示为M'R。将优化冒口模数与原冒口模数的比值定义为铸型强度系数f,f=M'R/MR,获得铸型强度系数的流程如图1所示。

图1 获得铸型强度系数的流程

影响球墨铸铁冒口设计的因素主要有铸件结构、铸型强度、合金成分、孕育条件和浇注条件,笔者控制浇注条件和孕育条件不变,研究铸型强度在不同合金、不同铸件结构条件下对冒口设计的影响,得到相应的铸型强度系数。

由于铸件的结构有简单和复杂之分,复杂铸件也是由简单几何体构成,笔者选择几种经典简单几何体作为研究对象,包括T型杆、L型杆、十型杆、立方体、和平板件;常用球墨铸铁合金有QT400-18、QT450-10和QT500-7;用于球墨铸铁的铸型种类主要有湿型、较干型、干型和树脂砂型,铸型强度可以定性为差、中等、好,常用球墨铸铁件冒口类型有顶缩颈冒口和侧冒口,其铸件模数编号见表1。

表1 铸件模数编号

以T型杆件为例说明数值模拟过程,见表2。冒口类型“1”代表顶缩颈冒口,“2”代表侧冒口。首先控制合金为QT400-18,冒口类型为侧冒口,选择铸型强度为好,改变铸件模数,进行数值模拟得到对应的铸型强度系数;然后继续保持合金和冒口类型不变,选择铸型强度为中,改变铸件模数进行数值模拟得到对应的铸型强度系数;接着选择铸型强度为差,改变铸件模数进行数值模拟得到对应的铸型强度系数。改变合金,冒口类型依旧是侧冒口,重复以上操作,得到不同合金对应的铸型强度系数。最后改变冒口为顶缩颈冒口,重复以上所有数值模拟过程,得到不同冒口对应的铸型强度系数。

表2 数值模拟方案

本文以收缩模数法为基础,引入铸型强度因素,设计数值模拟方案,基于华铸CAE平台进行模拟,分析归纳数据建立考虑铸型强度的球墨铸铁件冒口设计方法,并应用于复杂球墨铸铁件的冒口设计。