一种消除ZG35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法与流程

本发明涉及铸钢工艺技术领域，具体是一种消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法。

背景技术：

铸造生产是金属液成型的生产方法，金属液进入铸型中经过冷却、凝固后形成金属制品的过程称为铸造生产，简称铸造。生产的金属制品称为铸件。绝大多数铸件被用作毛坯，需要经过机加工后才能成为各种机器零件；少数达到使用尺寸精度和表面粗糙度要求的铸件可直接作为成品或零件使用。

陈飞和曹海平在《阀门外观常见缺陷与评定》的一篇文章中提到阀门在铸造过程中容易出现裂纹、缩孔缩松和砂眼等缺陷。裂纹一般出现在阀门阀体两壁交接的热节部位和结构突变部位，例如法兰根部和阀体外壁凸起的表面处。裂纹的出现严重减低阀门铸件的工艺出品率。热裂纹外形曲折而不规则、缝隙较宽、断面处有氧化现象、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和发展。冷裂纹一般都是直的，开裂处金属表面未氧化，裂纹常穿过晶粒延伸到整个断面。缩孔和缩松一般位于铸件阀门最后凝固的部位(热节处)或结构突变部位处，缩孔和缩松内表面没有氧化色，形状不规则、孔壁粗糙并伴有许多杂质和细小的气孔。砂眼主要出现在阀门外表面，砂眼内部有砂或白色的渣，外形不规整，深浅不一。缺陷的存在严重降低阀门铸件的使用寿命。

阀门铸件的材质为zg35(中碳铸钢)。在液态合金钢冷却凝固过程中，由于铸件各部分金属液的冷却速度不同，使得各部位的收缩量不一致，再加上型芯和砂型的阻力，使铸件的凝固收缩受到制约而产生了铸造应力。一般阀门零件结构复杂，在使用砂型铸造法铸造阀门时，若浇注系统的设计和工艺参数设置不当容易导致铸件出现裂纹、缩松、缩孔等缺陷。阀体的铸件毛坯不允许存在砂眼、裂纹、缩孔及气孔等铸造缺陷，而且由于阀门铸件都属于中大型铸件，金属材料浪费不起。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法。该铸造系统能够有效消除zg35阀门铸件缩孔、缩松和裂纹缺陷，提高成品率，提高zg35阀门铸件力学性能。

本发明解决所述系统技术问题的技术方案是，提供一种消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统，其特征在于该铸造系统包括冒口、浇注系统和冷铁；所述浇注系统采取阶梯式浇注系统，包括浇口杯、直浇道、底层内浇道和上层内浇道；所述浇口杯用于熔融的金属液的倒入；所述浇口杯与直浇道连接；所述直浇道分别与底层内浇道和上层内浇道连接；所述冷铁设置在铸件底部的热节处；所述冒口包括顶冒口和侧冒口；所述顶冒口设置在铸件顶部法兰的正上方，侧冒口设置在铸件底部法兰的侧面。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步、确定浇筑位置：铸件的浇注位置呈直立状态；

第二步、冒口设计：

(1)计算铸件模数，计算公式为：

式中：mc为铸件模数；d为热节圆直径；b为法兰宽度；c为管厚度；

(2)计算冒口模数mr：

对于顶冒口，mc:mr＝1:1.2；

对于侧冒口，mr＝(1～1.2)mc；

(3)计算顶冒口的数量：

冒口的有效补缩距离l，计算公式为：

式中：t为铸件法兰处的壁厚；用铸件顶部的周长除以冒口的有效补缩距离即是冒口的数目；

第三步，冷铁设计：

冷铁采用梯形冷铁，设置在铸件底部法兰的热节处；冷铁厚度δ＝(0.3～0.8)d，d为热节圆直径；

第四步，浇注系统设计：采用阻流截面设计法进行浇注系统的设计，并根据奥赞公式，计算阻流截面积，按照预定截面比，进一步计算其余各单元截面积；

(1)计算阻流截面积的水力学公式是：

式中：v为流经阻流截面的金属液流速；μ1为从浇口杯顶端到阻流截面的流量系数；g为重力加速度；h1为从浇口杯顶端到阻流截面的垂直距离；m为流经阻流截面的金属液质量；ρ为金属液的密度；τ为充填型腔的总时间即浇注时间；

(2)直浇道的横截面积是阻流截面积的1～2倍；直浇道与铸件等高；

(3)底层内浇道的横截面积是阻流截面积的0.96～1.2倍；

(4)上层内浇道与铸件法兰之间的夹角为30°；上层内浇道的横截面积是阻流截面积的0.48～0.6倍。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)采用本铸造系统能够有效消除zg35阀门铸件缩孔、缩松和裂纹缺陷，提高成品率，提高zg35阀门铸件力学性能。

2)采用阶梯式浇注系统，将现有的上下网状浇注系统中的上下层各15个内浇道简化为底层内浇道和上层内浇道两个内浇道，去除了原工艺庞杂的内浇道，仍可满足浇注要求，不仅消除了因浇注系统凝固收缩导致的应力缺陷问题，而且大大提高了工艺的简洁性。

(3)在铸件顶部法兰处设置圆台形顶冒口补缩消除缩孔缩松，同时增大冒口尺寸。在铸件底部法兰处设置侧冒口与冷铁配合补缩的方法来消除缩孔缩松缺陷。

(4)通过对铸造工艺的数值优化设计，有效消除了由于设计工艺不当而产生的局部裂纹和铸件内部的缩孔缩松，并且显著提高zg35阀门铸件工艺出品率和综合力学性能。

附图说明

图1为采用现有阀门铸件工艺得到的铸造系统和铸件的温度场模拟图；

图2为采用现有阀门铸件工艺得到的铸造系统和铸件的缺陷模拟图；

图3为采用现有阀门铸件工艺得到的铸造系统和铸件的应力场模拟图；

图4为本发明消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法一种实施例的铸造系统示意图；

图5为本发明消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法一种实施例的铸造系统和铸件的缺陷模拟图；

图6为本发明消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法一种实施例的铸造系统和铸件的应力场分布图；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

图1-3为现有技术，现有技术中的浇注系统多采用多浇道阶梯式，在阀门铸件上下两个法兰处各布置一道大圆弧形的横浇道和15个内浇道，意图用内浇口补缩铸件顶端和底部的厚大法兰，并达到由下而上顺序充填的目的，但由于呈网状的浇注系统导致了铸件的严重裂纹。

由图1可知，在此时刻，铸件本体仍未凝固，而浇注系统已凝固完毕，这使得在铸件本体凝固收缩时，会受到浇注系统的阻碍导致应力。

由图2可知，铸件的底部法兰处和顶部法兰处都存在明显的缩松缺陷。原工艺浇注系统先于铸件凝固，铸件反补缩浇道系统，所以铸件底部出现缩孔缩松缺陷。这主要是由于浇注系统的浇道横截面积过小和冷却速度较快导致的。

由图3可知，在铸件上中下部易出现裂纹，底部出现围绕法兰一圈的裂纹，内部出现竖直裂纹，上部与内浇道接触部位易出现裂纹。计算结果与实际浇注结果是一致的。

综上分析，原工艺铸件底部和顶部法兰处的内浇道在凝固收缩时，由于在铸件上部和底部一圈分布许多内浇道，拉应力相叠加，引起了裂纹的产生。

(1)原工艺浇注系统先于铸件凝固，浇注系统无法补缩上下法兰，所以在铸件底部出现缩孔缩松缺陷。

(2)底部内浇道数量过多，在凝固收缩时，对铸件产生拉应力，又会阻碍铸件本体的凝固收缩，两次拉应力相叠加，导致裂纹缺陷。

(3)铸件顶端冒口补缩不足，在冒口附近出现了缩孔缩松。

本发明提供了一种消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统(简称铸造系统，参见图4-6)，其特征在于该铸造系统包括冒口、浇注系统和冷铁1；zg35阀门铸件属于中大型的铸钢件，要求充型平稳，对型腔的冲刷力小，并且zg35阀门铸件高度超过600mm，所以浇注系统采取阶梯式浇注系统，用于控制金属液充填铸型的速度和充满铸型所需的时间，使金属液平稳地进入铸型避免紊流和对铸型的冲刷，阻止熔渣和其他夹杂物进入型腔；所述冷铁1设置在铸件底部的热节处；所述浇注系统包括浇口杯2、直浇道3、底层内浇道4和上层内浇道5；所述浇口杯2用于熔融的金属液的倒入；所述浇口杯2与直浇道3连接；所述直浇道3分别与底层内浇道4和上层内浇道5连接；内浇口设置在铸件底部法兰和铸件顶部法兰处，内浇口向铸型型腔灌输金属液；

所述冒口包括顶冒口6和侧冒口7；所述顶冒口6设置在铸件顶部法兰的正上方，侧冒口7设置在铸件底部法兰的侧面，并采用模数法计算冒口尺寸；

所述直浇道3的横截面积是阻流截面积的1～2倍；直浇道3与铸件等高；所述底层内浇道4的横截面积是阻流截面积的0.96～1.2倍；所述上层内浇道5与铸件顶部法兰之间的夹角为30°；上层内浇道5的横截面积是阻流截面积的0.48～0.6倍；所述冷铁1采用梯形冷铁，冷铁厚度为(0.3～0.8)d，其中d为热节圆直径。

浇筑时，金属液先从浇口杯2进入浇注系统，通过直浇道3流入底层内浇道4进入铸型中，随着金属液在铸型内液面的上升，金属液首选填充侧冒口7，当金属液达到铸件上表面时，上层内浇道5开始有液体流入铸型，最后金属液进入顶冒口6，充型结束；当金属液凝固后，去除浇注系统、冷铁1和冒口，即得到铸件。

本发明同时提供了一种消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步、确定浇筑位置：阀门铸件的重要加工面在铸件内部和两端，所以其浇注位置呈直立状态；

第二步、冒口设计：采用模数法计算冒口尺寸；

(1)计算铸件模数，即管与法兰相交处的模数计算公式为：

式中：mc为铸件模数；d为热节圆直径；b为法兰宽度；c为管厚度；

(2)计算冒口模数mr：

对于顶冒口，mc:mr＝1:1.2；本实施例中，d＝90mm，b＝150mm，c＝15mm，mc＝29.03，mr＝34.8，计算得到顶冒口圆台形结构的底面圆直径＝170mm，顶冒口高＝225mm，顶冒口圆台形结构的顶面圆直径＝204mm；

对于侧冒口，mr＝(1～1.2)mc；本实施例中，d＝100mm，b＝230mm，c＝50mm，mc＝37.7，mr＝37.7，计算得到圆柱形的侧冒口的底面圆直径＝198mm，侧冒口高＝297mm；

(3)计算顶冒口的数量：

冒口的有效补缩距离l，计算公式为：

式中：t为铸件法兰处的壁厚。本实施例中，l＝569mm，铸件顶部的周长为2280mm，用铸件顶部的周长除以冒口的有效补缩距离即是冒口的数目，计算得出顶冒口的数量为四个；

第三步，冷铁设计：

冷铁采用梯形冷铁，设置在铸件底部法兰的热节处；冷铁厚度δ＝(0.3～0.8)d，d为热节圆直径；本实施例中的冷铁厚度为90mm。

第四步，浇注系统设计：采用阻流截面设计法进行浇注系统的设计，并根据奥赞公式，计算阻流截面积，按照预定截面比，进一步计算其余各单元截面积；

(1)计算阻流截面积的水力学公式是：

式中：v为流经阻流截面的金属液流速；μ1为从浇口杯顶端到阻流截面的流量系数；g为重力加速度；h1为从浇口杯顶端到阻流截面的垂直距离；m为流经阻流截面的金属液质量；ρ为金属液的密度；τ为充填型腔的总时间即浇注时间；

本实施例中m＝1730kg，浇注时间为22s，因为铸件材质为中碳铸钢，中大型铸件，对于由浇口杯、直浇道和内浇道组元的系统，μ1＝0.58，求得s阻＝7810mm²。

(2)直浇道3的横截面积是阻流截面积的1～2倍，本实施例中直浇道的横截面积为11715mm²；直浇道3与铸件等高，本实施例中直浇道3的高为1080mm。

(3)底层内浇道4的横截面积是阻流截面积的0.96～1.2倍，本实施例中底层内浇道的横截面积为7900mm²；

(4)上层内浇道5与铸件顶部法兰之间的夹角为30°；上层内浇道5的横截面积是阻流截面积的0.48～0.6倍。

由图2和图5对比可以看出在原有铸造系统对应的工艺下容易产生缩松的部位在本实施例的铸造系统下完全消失了，即本实施例获得的铸件无任何缩松缺陷产生，且无缩孔现象。由图3和图6对比可以看出现有的铸件应力多集中于铸件中下部位和与内浇道相接触部位，在铸件底部法兰周边易形成一圈热裂纹，铸件中下部易形成竖直裂纹，铸件上部两处易形成对称的水平裂纹。而本发明得到的铸件的应力分布相对比较均匀，铸件各部位应力也较小，产生的拉应力强度小于铸件材质的抗拉强度，因此不会产生裂纹。

本发明消除zg35阀门铸件缺陷的铸造系统及其设计方法的工作原理和工作流程是：

第一步，运用铸造模拟软件对阀门铸件原工艺进行模拟分析，发现铸件内部有大量的缩孔缩松缺陷，并且铸件内部应力分布不均匀。

第二步，针对原工艺出现的缺陷分析其原因。铸件底部出现缩孔缩松缺陷的原因是原工艺浇注系统先于铸件凝固，浇注系统无法补缩上下法兰。铸件底部内浇道数量过多，在凝固收缩时，对铸件产生拉应力，又会阻碍铸件本体的凝固收缩，两次拉应力相叠加，导致裂纹缺陷。铸件顶端冒口补缩不足，在冒口附近出现了缩孔缩松。

第三步，针对原工艺出现问题制定相应的解决方案，首先改进原工艺的浇注系统，改为阶梯式浇筑系统。其次重新设计冒口尺寸，并且设计底部补缩冒口。最后，在铸件底部增加冷铁。

第四步，针对改进后的工艺运用铸造模拟软件再次检验。

本发明未述及之处适用于现有技术。