生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统及其设计方法与流程

本发明涉及铸造工艺技术领域，特别涉及一种环形薄壁灰铸铁件浇冒口系统及其设计方法。该浇冒口系统应用在生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上，能够大幅提高环形薄壁灰铸铁件在DISA线上的工艺出品率，并能消除其当前生产条件下所频繁出现的铸件缺陷的问题。

背景技术：

铸铁件经常会发生各种不同的铸造缺陷，特别是一些薄壁件，薄壁部位糊状同时凝固倾向大，铸件顶部冒口的补缩通道极易被这些区域所阻断，因此缩松、缩孔是这类铸件经常会出现的铸造缺陷。缩松缺陷是一种重要的铸造缺陷。由于降低了承载面的面积，它的存在会严重削弱铸件的强度和硬度。如何防止这些缺陷产生一直是铸件生产厂关注的问题。在尽可能减少缺陷的基础上，如何提高工艺出品率、降低废品率也是铸件生产厂急需解决的问题。

现有的此类环形灰铸铁件采用的冒口和浇注系统是根据丹麦DISA公司的DISA线设计说明书中的方法设计出来的。DISA生产线采用压缩空气挤压造型，砂型紧实度好，生产效率高，适于生产结构中等复杂，精确度要求高的球铁和灰铁铸件。因此DISA线是现在铸造企业生产大批量小型铸件的常用设备。但是DISA线设备限定铸造工艺只能垂直分型，且只有一个分型面，浇口位置固定在一个小范围内。DISA线设备的特点决定了其铸造工艺的特殊性。

当前采用DISA线的铸造企业一般是按照DISA公司给出的设计方法进行浇注系统设计，采用类似铸铁冒口设计经验方法设计冒口，缺乏严格的科学性，如图3所示，显示了现有技术中生产此类铸件的铸造工艺图，可以看出当前DISA线上生产此类铸件所采用的浇注系统和冒口有以下缺点：一、冒口被放置在铸件的斜上方，会引起铸件上方补缩压减小，容易导致补缩不足；二、浇注系统采用底注式，并且设置了两个内浇道，在此种工艺下浇铸的铸件易在两个内浇道的中间部位产生裂纹，从而导致废品率升高；三、在直浇道的设计上，设计者为了使从浇口杯进入的金属液有一个缓冲，在直浇道上及直浇道和横浇道连接处均设计了很大的缓冲区域，这两个缓冲区域在凝固过程中会源源不断地向周围散热，使铸件的某些区域产生热节，最终产生缩松缩孔等缺陷。由于此类环形灰铸铁件壁厚较薄，环形薄壁上还分布着一些小的凸起，这些小的凸起在凝固工程中会成为铸件的热节，而薄壁部位优先凝固会切断热节的补缩通道，凝固完成后这些小突起部位就会形成缩松；四、大冒口和粗大的浇道造成了工艺出品率降低，且无法解决产生缩松的根本问题。

技术实现要素：

针对DISA线上现有条件下生产的环形薄壁灰铸铁件的缺陷，本发明拟解决的技术问题是，提供一种新的应用于DISA线的环形薄壁灰铸铁件浇冒口系统及其设计方法。该浇冒口系统可以有效避免上述缺陷，并能显著提高其工艺出品率。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统，包括冒口和浇注系统，所述浇注系统采取底注式，包括内浇道、直浇道和横浇道，每个型板中布置两个铸件，两个铸件以直浇道为轴对称布置，在每个铸件的正下方均设置内浇道，其特征在于每个铸件的正下方内浇道的数量为一个，在直浇道和横浇道的连接处设置第一缓冲区域；两个内浇道分别与两个横浇道联通，在每个横浇道远离第一缓冲区域的一端设置第二缓冲区域；在每个铸件的正上方均设置有冒口。

上述的生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统，所述冒口形状为圆柱形无冒口窝冒口。

上述的生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统，横浇道的截面积是内浇道截面积的1.2倍，直浇道的截面积在两个横浇道截面积之和的基础上加大30％。

上述的生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统，所述内浇道的截面形状为矩形，横浇道和直浇道的截面形状均为梯形。

一种上述的DISA线上的浇冒口系统的设计方法，在冒口设计时，将灰铸铁的石墨化膨胀考虑进去，采用均衡凝固理论计算出冒口大小及形状；在浇注系统设计时，首先将采用均衡凝固理论计算出的单个冒口质量与相应铸件的质量进行加和，然后根据恒压等流量工艺设计方法分别计算出内浇道、横浇道及直浇道的截面积，再经过模拟软件调试出各浇道的最佳截面形状和尺寸。

上述生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统的设计方法，该方法的步骤是：

第一步、铸造工艺装备的选择

针对环形薄壁灰铸铁件自身特点及DISA线生产条件，选择砂型铸造，垂直分型，冒口和浇注系统均设置在分型面上；

第二步、冒口设计

1)铸件基本参数设置及基本量的计算

已知铸件材质为HT250，铸件体积为V_C，铸件表面积为S_C，铸件密度为ρ，铸件高度为h；

根据质量计算公式计算出铸件的质量m_C＝ρ·V_C；

根据几何模数的定义计算出铸件的几何模数：

2)计算质量周界商、灰铸铁件收缩时间分数、收缩模数因数

质量周界商：

灰铸铁件收缩时间分数：

收缩模数因数：

3)计算铸件的收缩模数：M_S＝f₂·M_C；

4)确定冒口位置

将冒口位置设置在每个铸件的正上方，根据均衡凝固理论，利用公式：计算得到冒口位置距离铸件边缘的距离δ，进而确定冒口位置；

5)计算冒口模数并确定出冒口形状和尺寸

计算冒口模数：M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃；

其中f₁是冒口平衡因数，f₁的取值为1.3；f₃为冒口压力因数，f₃与铸件的质量周界商有关，具体数值根据步骤2)得到的质量周界商Q_m查表获得；

根据上述冒口模数，取圆柱形无冒口窝冒口，根据经验确定冒口的H/D＝1.2，进而通过冒口模数和H/D查表可得冒口尺寸；

6)计算冒口颈模数并确定出冒口颈形状和尺寸

计算冒口颈模数：M_n＝M_C·f_P·f₂·f₄，选取长方体冒口颈，

其中，f₄为冒口颈长度因数，f₄取值为0.8；f_P是流通效应因数，f_P取值为0.5；

冒口颈厚度：e＝(2～2.5)M_n，

冒口颈宽度：W≥5e，

冒口颈长度：l＜＝3e，

依照冒口颈“短、薄、宽”的原则来确定出冒口颈尺寸；

第三步、浇注系统设计

1)浇口杯设计

根据单个铸件和冒口的质量之和及工艺出品率的要求，选取相应的浇口杯，并采用自动造型；

2)浇道设计

采用恒压等流量工艺设计方法计算内浇道截面积S₁：

其中，G为流经内浇道截面积的金属液质量；μ为流量系数，μ取值为0.35；τ为金属液流经截面积的时间；g为重力加速度；H_P为实际压头，即浇口杯顶点距离内浇道之间的高度；

每个横浇道截面积S₂为相应内浇道截面积S₁的1.2倍，横浇道截面积S₂为：S₂＝1.2S₁；

直浇道的截面积S₃比两个横浇道截面积S₂的加和大30％，直浇道截面积S₃＝2*S₂*(1+30％)；

经过模拟软件调试确定内浇道截面形状为矩形，横浇道截面形状为等腰梯形，直浇道截面形状为等腰梯形，至此完成浇注系统的设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明突出的实质性特点为：

(1)原有的浇注系统采用底注式，有两个内浇道，本发明将两个内浇道改为单一内浇道，可以有效地改善在双内浇道工艺下铸件在中间接头处产生的的裂纹，得到品质更加优良的铸件。

(2)现有浇冒口系统中将冒口位置设在铸件的斜上方，本发明将冒口设置在铸件的正上方，并且在设计冒口时，充分考虑石墨化膨胀，采用均衡凝固理论设计冒口，大大减小了冒口体积，不仅使原有的缩松缺陷完全消失，还提高了工艺出品率。

(3)采用恒压等流量工艺设计方法设计浇注系统，减小了浇道的截面积，将原有浇注系统上起缓冲作用的大区域去掉，在直浇道和横浇道连接位置及横浇道远离直浇道的一端分别设置较小的缓冲区，提高了工艺出品率，消除了铸件原有的热结，消除了缩松缺陷。

(4)冒口设计和浇注系统的设计方法相互配合，通过模拟软件反复模拟，使用本发明的浇冒口系统得到的铸件无缩松现象，工艺出品率高。

本发明的显著进步是：

(1)在原有DISA线浇注系统和冒口的基础上，充分考虑石墨化膨胀，大大减小了冒口和浇注系统的尺寸，使工艺出品率提高15％-25％；

(2)原有浇冒口系统中由于热节部位的存在会使铸件产生缩松，采用本发明浇冒口系统的设计方法设计冒口和浇注系统，能够有效减小浇注系统和冒口的尺寸，使整个铸件均匀快速地完成凝固过程，缩松缺陷完全消失。

附图说明

图1为本发明生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统的型板布局图；

图2为本发明生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统的各浇道截面形状示意图，其中图2(a)为内浇道的截面形状，图2(b)为直浇道的截面形状，图2(c)为横浇道的截面形状；

图3为原浇冒口系统的型板布局图及对应的缩松缩孔示意图；其中图3(a)为原浇冒口系统的型板布局图，图3(b)为原浇冒口系统下产生铸件的对应的缩松示意图；图3(c)为原浇冒口系统下产生的对应的缩孔示意图；

图4为本发明浇冒口系统下产生铸件的对应的缩松缩孔示意图；其中图4(a)为本发明浇冒口系统下产生铸件的对应的缩松示意图；图4(b)为本发明浇冒口系统下产生铸件的对应的缩孔示意图；

图中，1铸件，2冒口，3内浇道，4直浇道，5横浇道，6第一缓冲区域，7第二缓冲区域。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步叙述本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统(简称浇冒口系统，参见图1)，该浇冒口系统包括冒口和浇注系统，所述浇注系统采取底注式，包括单一内浇道3、直浇道4和横浇道5，在直浇道4和横浇道5的连接处设置第一缓冲区域6；每个型板中布置两个铸件1，两个铸件1以直浇道4为轴对称布置，在每个铸件的正下方均设置内浇道3，两个内浇道3分别与两个横浇道5联通，在每个横浇道5远离第一缓冲区域6的一端设置第二缓冲区域7；在每个铸件的正上方均设置有冒口2。

所述冒口2设计时将灰铸铁的石墨化膨胀考虑进去，采用均衡凝固理论计算冒口大小，并选取冒口形状为圆柱形无冒口窝冒口；所述内浇道3的截面面积采用恒压等流量工艺设计方法进行计算，截面形状为矩形；横浇道5的截面积是内浇道截面积的1.2倍，截面形状为梯形，直浇道6的截面积在两个横浇道截面积之和的基础上加大30％，截面形状为梯形。

本发明中所述截面均是指相应浇道的横截面。

本发明浇冒口系统的设计方法是：

第一步、铸造工艺装备的选择

针对环形薄壁灰铸铁件(简称铸件)自身特点及DISA线生产条件，选择砂型铸造，垂直分型，冒口和浇注系统均设置在分型面上；

第二步、冒口设计

1)铸件基本参数设置及基本量的计算

已知铸件材质为HT250，铸件体积为V_C，铸件表面积为S_C，铸件密度为ρ，铸件高度为h；

根据质量计算公式计算出铸件的质量m_C＝ρ·V_C；

根据几何模数的定义计算出铸件的几何模数：

2)计算质量周界商、灰铸铁件收缩时间分数、收缩模数因数

质量周界商：

灰铸铁件收缩时间分数：

收缩模数因数：

3)计算铸件的收缩模数：M_S＝f₂·M_C；

4)确定冒口位置

将冒口位置设置在每个铸件的正上方，根据均衡凝固理论，冒口的位置应偏离热节部位，但又不能距离太远；利用公式：将铸件高度h代入，计算得到冒口位置距离铸件边缘的距离δ，进而确定冒口位置；

5)计算冒口模数并确定出冒口形状和尺寸

计算冒口模数：M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃；

其中f₁是冒口平衡因数，f₁的取值为1.3；f₃为冒口压力因数，f₃与铸件的质量周界商有关，具体数值根据步骤2)得到的质量周界商Q_m查表获得；

根据上述冒口模数，取圆柱形无冒口窝冒口，由于冒口只是起补缩作用，根据经验确定冒口的H/D＝1.2，进而通过冒口模数和H/D查表可得冒口尺寸；

6)计算冒口颈模数并确定出冒口颈形状和尺寸

计算冒口颈模数：M_n＝M_C·f_P·f₂·f₄，选取长方体冒口颈，

其中，f₄为冒口颈长度因数，f₄取值为0.8；f_P是流通效应因数，f_P取值为0.5；

冒口颈厚度：e＝(2～2.5)M_n，

冒口颈宽度：W≥5e，

冒口颈长度：l＜＝3e，

依照冒口颈“短、薄、宽”的原则来确定出冒口颈尺寸；

第三步、浇注系统设计

1)浇口杯设计

根据单个铸件和冒口的质量之和及工艺出品率的要求，选取相应的浇口杯，并采用自动造型；

2)浇道设计

采用恒压等流量工艺设计方法计算内浇道截面积S₁：

其中，G为流经内浇道截面积的金属液质量，本发明中即为一个冒口和一个铸件所占金属液的质量之和；μ为流量系数，μ取值为0.35；τ为金属液流经截面积的时间，根据铸件凝固时间等因素确定；g为重力加速度；H_P为实际压头，即浇口杯顶点距离内浇道之间的高度。

每个横浇道截面积S₂为相应内浇道截面积S₁的1.2倍，横浇道截面积S₂：S₂＝1.2S₁；

直浇道的截面积S₃比两个横浇道截面积S₂的加和大30％，直浇道截面积S₃＝2*S₂*(1+30％)；

经过调试最终确定内浇道截面最佳形状为矩形，横浇道截面形状为等腰梯形，直浇道截面形状为等腰梯形，各截面尺寸根据上述公式进行计算，至此完成浇注系统的设计。

实施例1

本实施例生产环形薄壁灰铸铁件的DISA线上的浇冒口系统包括冒口和浇注系统，所述浇注系统采取底注式，包括单一内浇道3、直浇道4和横浇道5，在直浇道4和横浇道5的连接处设置第一缓冲区域6；每个型板中布置两个铸件1，两个铸件1以直浇道4为轴对称布置，在每个铸件的正下方均设置内浇道3，两个内浇道3分别与两个横浇道5联通，在每个横浇道5远离第一缓冲区域6的一端设置第二缓冲区域7；在每个铸件的正上方均设置有冒口2，所述冒口2设计时将灰铸铁的石墨化膨胀考虑进去，采用均衡凝固理论计算冒口大小，并选取冒口形状为圆柱形无冒口窝冒口；所述内浇道3的截面面积采用恒压等流量工艺设计方法进行计算，截面形状为矩形；横浇道5的截面积是内浇道截面积的1.2倍，截面形状为梯形，直浇道6的截面积在两个横浇道截面积之和的基础上加大30％，截面形状为梯形。

本实施例铸件的基本参数为：铸件材质为HT250，铸件体积V_C＝344185.8763mm³，铸件表面积S_C＝69874.7043mm²，铸件密度ρ＝6.45*10^-6kg/mm³，

该浇冒口系统的具体设计步骤如下：

第一步、铸造工艺装备的选择

本实施例中选取的是某小型机械用转盘，属于环形薄壁灰铸铁件，并且生产线为DISA线，砂型铸造，垂直分型，冒口和浇注系统均设置在分型面上；

第二步、冒口设计

1)铸件基本参数设置及基本量的计算

铸件材质为：HT250，铸件体积：V_C＝344185.8763mm³，铸件表面积：S_C＝69874.7043mm²，铸件密度：ρ＝6.45*10^-6kg/mm³，铸件高度h＝263mm；

根据质量计算公式计算出铸件的质量：m_C＝ρ·V_C＝6.45*10^-6*344185.8763＝2.22kg；

根据几何模数的定义计算出铸件的几何模数：

2)计算质量周界商、灰铸铁件收缩时间分数、收缩模数因数、灰铸铁件补缩率质量周界商：

灰铸铁件收缩时间分数：

收缩模数因数:

3)计算铸件的收缩模数

M_S＝f₂·M_C＝0.8*0.493＝0.394cm

4)确定冒口位置

将冒口位置设置在每个铸件的正上方，根据均衡凝固原理的理论，冒口的位置应偏离热节部位，但又不能距离太远，利用公式：将铸件高度h＝263mm代入可得δ＝4mm，即冒口位置距离铸件边缘为4mm。

5)计算冒口模数并确定出冒口形状和尺寸

冒口模数：M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃＝0.493*1.3*0.8*1.4＝0.718cm

其中f₁是冒口平衡因数，取f₁＝1.3；f₃为冒口压力因数，根据Q_m＝18.53kg/mm³查表可得：f₃＝1.4。

选取圆柱形无冒口窝冒口，根据经验确定H/D＝1.2，又由于M_r＝0.718cm，查表可得冒口尺寸为Φ45mm×54mm。

6)计算冒口颈模数并确定出冒口颈形状和尺寸

冒口颈模数：M_n＝M_C·f_P·f₂·f₄＝0.493*0.5*0.8*0.8＝0.158cm

其中，f₄＝0.8，f_P＝0.5

冒口颈厚度：e＝(2～2.5)M_n≈3.2～4.0mm，取e为4mm；

冒口颈宽度：W≥5e＝20mm；

冒口颈长度：l＜＝3e＝12mm；

依照冒口颈“短、薄、宽”的原则以及冒口位置δ，取冒口颈尺寸为4mm×20mm×5mm。

第三步、浇注系统设计

1)浇口杯设计

每件铸件和冒口质量之和为G，G＝2.375kg，每型两件，暂定工艺出品率为65％，采用自动造型，选择1号浇口杯。

2)浇道设计

采用恒压等流量工艺设计方法,计算内浇道截面积S₁：

其中，G为铸件和冒口质量之和；

μ为流量系数，取值为0.35；

ρ为铸件材料的密度，其值为6.45*10^-3g/mm³；

τ为金属液流经内浇道截面积的时间，根据铸件凝固时间等因素确定，取值为1；

g为重力加速度；

H_P为实际压头，即浇口杯定点距离内浇道之间的高度，取值为350mm。

横浇道截面积S₂为内浇道截面积S₁的1.2倍，横浇道截面积：

S₂＝1.2S₁＝1.2*402＝482mm²，

直浇道的截面积S₃比两个横浇道面积的加和大30％，直浇道截面积：

S₃＝1.3*2*S₂＝1.3*2*482＝1254mm²，

经过调试最终确定内浇道截面形状为矩形，内浇道截面面积为402mm²；横浇道截面形状为梯形，截面面积为482mm²；直浇道截面形状为梯形，截面面积为1254mm²；各截面形状及尺寸如图2所示，至此完成浇注系统的设计。

根据上述设计得到的冒口及浇注系统，布置型板布局为一型2件，如图1所示。

应用本实施例设计好的浇冒口系统，采用用数值模拟软件进行模拟，结果如图3和图4所示，可以看出在原有浇冒口系统对应的工艺下容易产生缩松的部位在本实施例的浇冒口系统工艺下完全消失了，即本实施例获得的铸件无任何缩松缺陷产生。通过计算，本实施例铸件的工艺生产率由原来的43.1％升高为62％，其工艺出品率显著提高。

本发明未述及之处适用于现有技术。