铁铸件浇注系统优化设计 2


Figs. 1a-b. The ductile iron control arm originally was designed with two feeders.

图1a-b 球墨铸铁控制臂铸件初始设计有2个冒口。

正确设计铸铁件(灰铁,球铁)补缩系统需要了解铸铁与其他合金如铸钢的不同特性。如果没有考虑这些差异,补缩系统可能就不符合要求,从而影响铸件质量。在许多情况下,把基本上是为铸钢件的冒口设计应用于铸铁件时,就会导致产生缺陷。因这种误解而提出的解决方案,往往使情况更糟糕。

了解铸铁的结构特性,并将其与模拟软件配合应用,就可以降低废品率生产优质铸件。此外,初次生产之前使用计算机模拟,只用短短的几分钟,就能有助于避免在数周甚至数月的时间内生产有缺陷的铸件。

遵守规则

Fig. 2. Porosity at one of the two feeders was common.

图2. 两个冒口之一的连接处出现缩松是常见现象。

铸铁与其它合金之间最大的区别是其在凝固过程中析出石墨,从而产生膨胀。这种差异意味着,在大多数情况下,膨胀开始后铁铸件可以自补缩,而不需要另外的补缩。相应地,铁铸件的补缩系统只要为膨胀前的液态收缩和凝固收缩提供所需金属液。膨胀开始后,设计适当的补缩系统就能抑制压力,使铸件在剩余的凝固过程中自行补缩。这一规律与其他的合金(例如铸钢)完全不同,铸钢没有石墨化膨胀,所以在整个或绝大部分凝固过程中都必须补充金属液。

铸铁与其它合金的另一个主要区别在于形成中心缩孔(缩管)的机制。铸铁(特别是球墨铸铁),在凝固过程中不容易形成硬的壳层。要使冒口形成有效的补缩通道,当内部压力下降时,大气压力必须能使不坚硬的塑性壳层崩碎。补缩金属穿透凝固壳层后,其内部压力与补缩区内的压力相等。铸件补缩区内,由于膨胀压力,液态金属可以从一处流到其他部位。每个补缩区只需一个冒口。如果在同一区放多个冒口,当其中一个冒口形成中心缩孔时(即其中心的金属液流向铸件的补缩区,以补充铸件的收缩),其他冒口还没有形成。通常,这些未形成中心缩孔的冒口与铸件的连接处就会产生缩松。

铸铁件的要求是:一个补缩区内只设置一个冒口,而这一设计规则常常被违反。当冒口连接处出现缩松时,工程人员倾向于用增加冒口的方法解决问题。这是完全错误的做法,往往使情况更恶化。

如图1a所示球墨铸铁控制臂,是铁铸件补缩系统设计不正确的例子。对这个铸铁件,铸造厂最初的工艺设计是设置两个对称的冒口,如图1b所示。这种方法是可以理解的,因为冒口设置在铸件最厚的部位。在最初的生产中,总是在某个冒口的连接处出现缩松,如图2所示。缩松并不总是出现在相同的连接处,但在绝大部分铸件中,一个连接处出现缩松,而另一处不会出现。结果,铸造厂不能使用该设计方案生产优质铸件。

Fig. 4. The casting has two areas of high modulus value, but there’s only one feeding zone.

图4. 铸件有两个高模数区域,但只有一个补缩区。

Fig. 3. Engineers first ran a solidification simulation without gating or feeders.

图3. 工程师首先进行了没有浇注系统和冒口的凝固模拟。

数字化设计

要正确地为铁铸件设计补缩系统,必须确定铸件补缩区的位置和尺寸。了解传输模数MTR,与铸件内金属流动相关的计算值,可以帮助确定铸件有一个还是多个补缩区。

如果金属液不能从一个位置流动到另一位置,就需要在每一个补缩区内设置该区所需的冒口(但不超过一个)。铸件不同部位的模数( MC )是该处体积和表面积之比。工程人员可用以判断整个铸件的凝固过程。对铸铁件来说,模数用来估计石墨化膨胀何时开始,可以用完全凝固的百分比来表示。

现代的软件程序可以在几分钟内模拟凝固过程,所得到的数据可以换算为铸件模数值。模数高的铸件(厚大铸件)比模数低的铸件(薄壁铸件)较早开始石墨化膨胀且膨胀较多。石墨化膨胀开始的时间点也称为收缩时间点。

知晓收缩时间点就可以计算等效模数值,该值与铁液停止收缩和石墨膨胀开始的模数值有对应关系。此模数被称为MRT,因为它规定了铸件中液态金属可能传送到的部位。MTR的计算方法是:

MRT= SQR( ST/100 )* MC

Figs. 5a-b. There was no porosity at the feeder contact, and no porosity elsewhere.

图5a-b. 冒口连接处和其他地方没有缩松。

把铸造模拟中求得MRT的位置,可以判定整个铸件是一个单一的补缩区(传输模数始终是连续的),还是包含多个补缩区(传输模数是不连续的)。确定补缩区数量,然后确定所需的冒口数量,每个补缩区用一个冒口。

传输模数的值可以理解为铸件的一项模数值,低于此值的部位,冒口补缩不再有作用,铸铁石墨化膨胀而自行补缩。必须控制膨胀的压力,这意味着,当砂型具有足够的刚性,所有与铸件连接的部位(浇道和冒口的连接处等)也都应该坚固到足以承受石墨化膨胀开始后铸件内形成的膨胀压力。这也意味着冒口颈部的模数应该与传输模数相等,以确保液态收缩时可以发生补缩作用,而且冒口连接处也在适当的时间点,将石墨化膨胀的压力作用控制在铸件内部。

以球墨铸铁控制臂为例,要解决这一问题,需要分析铸件,以确定补缩的要求。首先进行没有浇注系统和冒口的铸件凝固模拟。模拟结果如图3中的凝固时间(分钟)模拟图所示。

将模拟得到的数据换算成模数就可以进行补缩的计算。因为原始设计中铸件内两个高模数值的部位都在与冒口连接处的附近,很容易推断原来的冒口设计是正确的。

然而,必须进一步分析铸件,以确定收缩时间及MRT,以便了解补缩区的位置和大小。对铸铁特性的分析表明,MRT的值是0.254英寸(0.645厘米)。创建铸件内该值的模拟图,就可显示补缩区的位置,如图4所示。

整个铸件实际上是单一的补缩区。几个模数较高的部位由模数高于传输模数值的截面连接起来,从而使金属液可以传输到整个铸件起补缩作用。只需使用一个冒口,以避免在不形成中心缩孔的冒口连接处可能出现的缩松。

Fig. 6. The revised pattern features a single feeder  attached to the center of the arm.

图6. 改进后的模具的特点是只在控制臂的中部设置一个冒口。

解决缺陷问题

本案例计算机模拟用时16分钟,而计算收缩时间和传输模数之后,5分钟内就创建了模拟图。经过约20分钟的分析,就确定了正确的冒口设计。如果在制作最初的模具装备之前完成上述工作,就可以避免用几个月的时间对付有缺陷的铸件。相关费用远远大于预先投资购买模拟软件和进行运行分析的培训费用。

改进后采用设置一个冒口的模具,如图5a-b所示。在这种情况下,冒口不与高模数区相连。对铸铁件而言,冒口的位置不像铸钢件要求的那么严格,因为石墨开始析出后,整个铸件中都有石墨化膨胀的压力作用。

如图6所示,采用的单一冒口,铸件的连接处或其他地方没有发生缩松。对铸件进行简单快速的分析,可以做出正确的冒口设计,生产出无缺陷的铸件。计算机模拟软件为工程师设计铸造工艺提供了有效的工具,从而可避免由于铸件缺陷而可能发生的费用。■

这篇文章是以AFS 2013铸造会议论文集 (13-1261)为基础的一篇论文。


2 thoughts on “铁铸件浇注系统优化设计

  • Sudhakaran

    The above example is very informative. We have a lot of parts that needs 2 feeders. This have failed in some parts and also succeded in many parts. Where there were thick sections in the opposite side with a thin secting connecting both, we failed with the 2 feeder method. But parts with same section thickness about 18mm and a diameter of 340mm passed with 2 feeders weight of the part is 23 Kg. Is there chances of acheiving with single feeder. One feeder is Kalpur and on the opp side a neck down sleeve is provided.