DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件的浇冒口系统及其设计方法与流程

本发明属于灰铸铁铸件工艺技术领域，具体涉及DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件的浇冒口系统及其设计方法。该浇冒口系统及设计方法能够大幅提高灰铸铁轮毂铸件的工艺出品率，并能消除当前生产现场铸造工艺所频繁出现的铸件缺陷。

背景技术：

用铸造方法生产金属构件是最为常用的工业方法之一，其中铸铁铸件占铸件总产量的一半以上。现代铸造业普遍采用自动化生产线生产铸件，其中DISA生产线是用于大批量生产小型铸铁件的常用设备。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。

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。DISA线铸造工艺的特点是铸件分层排布，为了保证铸件质量的均一性和稳定性，要求充型时各层铸件同时充满；为了提高生产效率，要求浇注系统和冒口系统紧凑排列，所以铸造厂往往把冒口与浇注系统融合在一起设计。

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，采用类似铸钢冒口设计经验方法(铸钢件的模数法)设计冒口，忽略石墨化膨胀，且占用浇注系统部分作为侧冒口,设计非常粗糙，补缩效果差，缺乏严格的科学性，因此生产出的铸件常常出现缩松缺陷；且现有工艺的浇注系统采用节流技术设计浇注系统，浇注系统尺寸偏大；工艺出品率很低，存在缩松缺陷。本发明所研究的轮毂类铸件是工业上大量使用的一种灰铸铁铸件，该灰铸铁轮毂铸件属于家电内部的小型零件，为提高生产效率以及保证各批次规格均一，该灰铸铁轮毂铸件采用DISA生产线生产。在通过现有的DISA线浇冒口系统进行生产时会存在工艺出品率偏低(51.8％)，且容易出现缩松缺陷，废品率高达15.5％的缺点。

技术实现要素：

针对DISA生产线上垂直分型的灰铸铁轮毂类铸件现有工艺出品率低，铸件中心有缩松的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件的浇冒口系统及其设计方法。该浇冒口系统针对该灰铸铁轮毂类铸件而设计，冒口与浇注系统分离，每个铸件配备单一冒口补缩，各铸件上冒口形状大小相同，便于实际操作，且适合DISA线自动规模生产，能消除当前的缩松缺陷，提高了该轮毂类铸件的铸造质量，铸造工艺出品率提高了18％-22％。该设计方法采用均衡凝固理论设计冒口，根据轮毂铸件形状及大小特征，设计新的型板布局，采用等压等流量技术设计浇注系统，设计方法简单可靠，设计好的浇冒口系统更适于实际应用。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件的浇冒口系统，包括冒口和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道、内浇道和横浇道，横浇道中垂线的两侧对称设有两个直浇道，每型八个铸件，每个铸件通过相应的内浇道与直浇道相联通，其特征在于八个铸件按照上、中、下分三层布置，且以横浇道中垂线为轴分为左右两侧，左侧上层和中层各布置一个铸件，下层布置两个铸件，右侧上层布置两个铸件，中层和下层各布置一个铸件，每个直浇道均为折线形状，在直浇道的末端设置缓冲区域，内浇道截面形状为矩形，每层直浇道的截面积是位于该层及该层以下内浇道总截面积的1.2倍，相应侧的横浇道的截面积是该侧内浇道总截面积的1.5倍，直浇道和横浇道的形状都为等腰梯形；所述冒口均单独设置在每个铸件的正顶端。

上述DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件的浇冒口系统的设计方法，该方法根据均衡凝固理论设计冒口，并考虑灰铸铁石墨化膨胀影响，设计冒口形状大小和放置位置；再依据“短、薄、宽”的原则以及冒口位置选取冒口颈尺寸；结合实际生产中一型八件的要求，根据等压等流量工艺设计方法，计算浇注系统不同分层的实际压头大小，然后代入奥赞公式中分别得到上、中、下层内浇道的截面积，横浇道与直浇道的截面积由内浇道的截面积按权利要求1中的倍数关系得出，最后经过数值模拟优化得到所述的浇冒口系统。

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是：

1)采用均衡凝固理论，结合灰铁铸件数值模拟技术进行新的冒口设计，将原有融合侧冒口改变为独立单一冒口；

2)针对本申请中在DISA线上生产的轮毂类铸件，仅采用均衡凝固理论无法完全同时兼顾补缩到铸件中的两处热节，本申请通过提高灰铸铁中的石墨化膨胀因素实现自补缩，实现无缩松缺陷的目的；

3)根据轮毂铸件形状及大小特征，设计新的型板布局，采用等压等流量技术，在各层内浇道之间的直浇道中设置阻流截面，调节截面比，结合数值模拟流场技术得到优化后的新浇注系统。

本发明的显著进步是：

1)在消除原铸造工艺缩松缺陷的情况下，冒口及浇注系统尺寸大为减少，使得工艺出品率由原来的51.8％提高到70.6％；2)原铸造工艺将冒口和浇注系统合为一体进行设计计算，无法同时兼顾二者的技术要求，设计计算主要依赖经验，虽然经过反复实验调整，仍然无法消除铸件中心的缩松缺陷，工艺出品率也很低；而本发明的浇冒口系统的设计计算方法明确、清晰、精确度高，且通过数值模拟技术进行评估和优化，大大提高了设计的科学性和可靠性；3)浇注系统采用等压等流量原理设计，冒口与浇注系统分离，工艺设计较为简单，各冒口形状结构相同，便于实际操作，适合DISA自动规模生产，防止了各个铸件质量差异；4)根据本发明设计方法，重新排布了铸件，提高了浇冒口系统中的空间利用率。

附图说明

图1本发明DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件的浇冒口系统的结构示意图；

图2本发明中DISA线上的工艺型板布局图；

图3现有技术中DISA线上的工艺型板布局图；

图4本发明方法对铸件进行结构分体划分的分体示意图；

图5现有技术和本发明数值模拟结果示意图；其中图5(a)现有技术的数值模拟下的缩松缺陷图；图5(b)采用本发明浇冒口系统的数值模拟下的缩松缺陷图；

图中，1铸件，2冒口，3直浇道，4内浇道，5缓冲区域，6横浇道。

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。采用技术方案中的方法对图1中的铸件进行冒口和浇注系统设计，并用数值模拟软件进行模拟。

本发明DISA线上生产灰铸铁轮毂类铸件(简称铸件)的浇冒口系统(简称浇冒口系统，参见图1)，包括冒口和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道3、内浇道4和横浇道6，横浇道中垂线的两侧对称设有两个直浇道，每个铸件通过相应的内浇道与直浇道3相联通，每型八个铸件1，分为上、中、下三层，上层和下层各布置三个铸件，中层布置两个铸件，且以横浇道中垂线为轴左右对称，中垂线位置的上层和下层分别布置一个铸件，每个直浇道3均为折线形状，在直浇道3的末端设置缓冲区域5，内浇道截面积大小采用等压等流量方法进行计算，截面形状为矩形；其中每层直浇道的截面积是位于该层及该层以下内浇道总截面积的1.2倍，相应侧的横浇道6的截面积是该侧内浇道总截面积的1.5倍(如本发明图1中，左侧上层直浇道截面积即为左侧上、中、下层内浇道截面积之和，其中上层和中层分别有一个内浇道，下层有两个内浇道；左侧横浇道的截面积即为左侧上、中、下层内浇道截面积之和)；直浇道和横浇道的形状都为等腰梯形。

在每个铸件的正顶端均设置有一个冒口2，利用均衡凝固理论设计冒口的大小，根据冒口模数大小选取冒口为圆柱形有冒口窝冒口，其中H/D＝1.1，对热节部位进行分析以及结合DISA线特点确定冒口位置。

所述冒口为圆柱形有冒口窝的单一冒口。

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：根据均衡凝固理论设计冒口，并考虑灰铸铁石墨化膨胀影响，设计冒口形状大小和放置位置，形状大小部分通过计算铸件模数，进而推导出冒口模数，再选取冒口尺寸和形状，整个计算都采用均衡凝固计算公式；冒口位置选取首先将铸件划分为三个结构分体，分别计算这三个结构分体的模数和铸件的收缩模数，分体模数比铸件收缩模数大的部位为热节，权衡考虑热节分布以及DISA线垂直分型特征和操作的难易程度，最终确定将冒口位置安放在轮缘处，对于无法兼顾补缩的热节通过提高石墨化膨胀实现自补缩，最后计算出冒口距离铸件边缘处的距离，依据“短、薄、宽”的原则以及冒口位置选取冒口颈尺寸；结合实际生产中一型八件的要求，设计出浇冒口系统和铸件的型版布局，根据等压等流量工艺设计方法，计算浇注系统不同分层的实际压头大小，然后代入奥赞公式中分别得到上、中、下层内浇道的截面积，横浇道与直浇道的截面积由内浇道的截面积按上述的倍数关系(即每层直浇道的截面积是位于该层及该层以下内浇道总截面积的1.2倍，相应侧的横浇道6的截面积是该侧内浇道总截面积的1.5倍；)得出，最后经过数值模拟优化得到所述的浇冒口系统。

具体步骤是：

第一步、铸造设备

针对灰铸铁轮毂类铸件自身特点及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)对铸件进行分析并划分结构体(如图4)

根据铸件特征，灰铸铁轮毂铸件划分为轮毂、轮辐、轮缘三个结构分体(简称为分体)，分别标记为a、b和c，根据公式(1)分别计算三个结构分体和铸件的模数，

其中，V为铸件或各分体体积，S为铸件或各分体表面积，M_a、M_b、M_c、M分别为轮毂、轮辐、轮缘和铸件的模数；

2)计算质量周界商、灰铸铁件收缩时间分数、收缩模数因数

根据公式(2)计算铸件质量周界商，

其中m为铸件质量；

根据公式(3)计算灰铸铁收缩时间分数，

根据公式(4)计算收缩模数因数：

3)根据公式(5)计算冒口模数M_r，并确定出冒口形状和尺寸

M_r＝f₁·f₂·f₃·M (5)，

其中，f₁为平衡因数，f₁≥1.2；f₃为压力因数，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；取圆柱形有冒口窝冒口，其中冒口的H/D＝1.1。根据D＝6M_r算出D的大小，D为圆柱形冒口横截面的直径，H为冒口高度，至此冒口形状和大小确定完成；

4)将步骤2)得到的收缩模数因数及步骤1)得到的铸件模数带入公式(6)，计算铸件收缩模数

M_s＝f₂·M (6)；

5)确定冒口位置

由于该铸件的生产方式用的DIAS线生产，唯一可以放冒口的地方就是在分型面上的铸件顶端，所以该铸件的冒口放在轮缘，铸件的最上端，将铸件高度h代入公式中，计算得到冒口距离铸件边缘的距离δ，进而确定冒口位置；

6)根据公式(7)计算冒口颈模数M_n，并确定冒口颈形状和尺寸

M_n＝M·f_P·f₂·f₄ (7)

其中，f₄为冒口颈长度因数；f_P是流通效应因数，取值范围为0.45～0.55；

冒口颈厚度为e＝(2～2.5)×M_n，冒口颈宽度为W≥5e，冒口颈长度为l＜＝3e；根据冒口颈“短、薄、宽”的原则，选取长方体冒口颈；

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

采用强封闭式的浇注系统，等压等流量工艺设计方法将整个浇注系统分为三层，根据公式(8)计算每层内浇道的截面积

式中，i＝1,2,3，分别表示上层、中层、下层，(以下所有i均表示层数)；m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；ρ为铸件材料的密度；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_i为实际压头，即浇口杯顶点与内浇道之间的高度，各层的实际压头根据公式(9)计算得到；

其中，ΔH_i为每一层的高度值，如图1所示，ΔH₁＝H₁，为上层高度，ΔH₂＝H₂-H₁，为中层高度，ΔH₃＝H₃-H₂，为下层高度。根据不同层数选取不同参数值，μ为流量系数。本发明中μ_1直＝0.65，μ_2直＝0.63，μ_3直＝0.6分别为上、中、下三层直浇道的流量系数，三层内浇道的流量系数均相等，即μ_1内＝μ_2内＝μ_3内＝0.57。

k_i为各层有效截面积比例，根据公式(10)得到；

为使每个型腔同时充满，浇口杯应足够大，严格控制浇注时间，浇注速度与浇注时间的查经验表格得到。根据每层直浇道的截面积是位于该层及该层以下内浇道总截面积的1.2倍，相应侧的横浇道6的截面积是该侧内浇道总截面积的1.5倍，计算得到直浇道和横浇道的截面积；例如图1中左边有四条内浇道，一条直浇道(上层直浇道的截面积等于上中下层内浇道总截面积的1.2倍，中层直浇道的截面积等于中下层内浇道总截面积的1.2倍，左侧横浇道截面积是左侧所有内浇道截面积之和的1.5倍，右侧横浇道截面积是右侧所有内浇道截面积之和的1.5倍)；

经过调试最终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。

实施例1

该灰铸铁轮毂铸件基本参数：材质：HT200，铸件体积V_C＝137260.8492mm³，铸件表面积S_C＝38019.3132mm²，铸件密度ρ＝6.45×10^-6kg/mm³，铸件质量m＝ρ·V_c＝0.885kg，铸件模数

第一步、铸造设备

本实施例中选取的是小型灰铸铁轮毂类铸件，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)对铸件进行分析并划分结构体

将铸件分为图4中的a、b、c三个部分，分别叫轮毂、轮辐、轮缘。三个分体的模数分别为M_a＝0.46cm,M_b＝0.24cm,M_c＝0.38cm。

2)计算质量周界商、灰铸铁件收缩时间分数、收缩模数因数

铸件质量周界商：

灰铸铁收缩时间分数：收缩模数因数：

3)计算冒口模数并确定出冒口形状和尺寸

M_r＝f₁·f₂·f₃·M_c，则M_r＝0.36×1.3×0.83×1.3＝0.5cm，D＝6×M_r,取圆形有窝冒口H/D＝1.1，其尺寸为Φ30mm×33mm。

4)计算铸件收缩模数

M_s＝M·f₂＝0.3cm

5)确定冒口位置

三个分体的模数分别为M_a＝0.46cm,M_b＝0.24cm,M_c＝0.38cm，显然，a分体和c分体为热节，因为a、c分体模数Ma、Mc均大于Ms。经过计算分体轮缘的收缩模数为M_SC＝f₂·M_C＝0.32cm,由于M_SC大于M_b,所以轮辐不能作为补缩通道，即用一个冒口无法补缩到该件的两个热节，所以该处不改变铸件模数，利用石墨化膨胀进行轮毂处自补缩。由于该铸件的生产方式用的的DIAS线生产，DIAS线的生产冒口只能放置在分型面上，提高石墨化孕育，靠石墨化膨胀来消除缩松。结合DISA线的垂直分型特征，冒口放置在分型面上更利于操作从而实现批量生产，所以该铸件的冒口放在轮缘，且位于铸件的最上端。将铸件高度h代入公式中，则

将冒口放置在铸件的最上端，且离边缘处的距离为δ＝4.1mm。

6)计算冒口颈模数并确定出冒口颈形状和尺寸：

M_n＝M_C·f_p·f₂·f₄，其中，f₄为冒口颈长度因数，冒口颈长，f₄取值大，冒口颈短，f₄取值小。选取长方体冒口颈，根据冒口颈“短、薄、宽”的原则，一般冒口颈都比较短，查表可得f₄取值为0.8。f_P是流通效应因数，本实施例取f_P为0.5。

M_n＝0.36×0.5×0.83×0.8＝0.12cm，e＝(2～2.5)×M_n＝3mm，w≥5e＝15mm，l≤3e＝3mm，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3mm×15mm×3mm。

第三步、浇注系统设计

1)浇口杯设计

每件铸件加冒口重约1kg，每型8件，暂定工艺出品率为70％，采用自动造型，1号浇口杯。

2)浇道设计

采用强封闭式的浇注系统，取μ_1直＝0.65，μ_2直＝0.63，μ_3直＝0.6分别为三层直浇道的流量系数，三层内浇道的流量系数为：μ_1内＝μ_2内＝μ_3内＝0.57。第一层与第二层的几何高度分别为H₁＝162mm,H₂＝271mm,H₃＝380mm。所以有效截面积比例k_i根据公式(10)分别为：

所以各层的实际压头

由奥赞公式可得各层内浇道截面积，

上层内浇道的截面积为：

中层内浇道的截面积为：

下层内浇道的截面积为：

计算各层直浇道截面积：

左侧上层直浇道截面积为：

S_1左直＝(S_1内+S_2内+2×S_3内)×1.2＝(26+21+2×18)×1.2＝100mm²

右侧上层直浇道截面积为：

S_1右直＝(2×S_1内+S_2内+S_3内)×1.2＝(2×26+21+18)×1.2＝109mm²

左侧中层直浇道截面积为：

S_2左直＝(S_2内+2×S_3内)×1.2＝(21+2×18)×1.2＝68mm²

右侧中层直浇道截面积为：

S_2右直＝(S_2内+S_3内)×1.2＝(21+18)×1.2＝47mm²

左侧下层直浇道截面积为：

S_3左直＝(2×S_3内)×1.2＝(2×18)×1.2＝43mm²

右侧下层直浇道截面积为：

S_3右直＝S_3内×1.2＝18×1.2＝22mm²

计算左右两侧横浇道的截面积

左侧横浇道的截面积：

S_左横＝(S_1内+S_2内+2×S_3内)×1.5＝(26+21+2×18)×1.5＝125mm²

右侧横浇道的截面积：

S_右横＝(2×S_1内+S_2内+S_3内)×1.5＝(2×26+21+18)×1.5＝140mm²

本实施例各浇道左右两侧每层的具体截面积见表1。

表1为各浇道各层截面形状及尺寸

本实施例中型板布局方式为一型8件，根据铸件、冒口轮廓尺寸及浇注系统尺寸，初步设计型板布局如图1所示，直浇道具有明显的曲折特点。对本实施例的浇冒口系统，用数值模拟软件进行模拟，结果如图5(a)所示，图5(b)为原工艺下的缩松缺陷模拟图，对比这两个图可知，在原工艺下容易产生缩松的部位在本实施例的浇冒口系统中完全消失了，说明本实施例获得的铸件无任何缩松缺陷产生，同时也保证了没有缩孔现象。通过计算，铸件的工艺生产率提高了21％。

对比例1：直浇道采用笔直向下，内浇道沿水平方向，其他条件与本发明相同。较本发明中型版布局空间利用率低，一箱中铸件数量减少，工艺出品率降低，在DISA线上的应用成本大大增高。

对比例2：采用图3所示的浇冒口系统，浇道截面积较本发明大许多，浇注系统与冒口融合，其他条件与本发明相同，由于无法进行冒口浇注系统独立计算，计算结果可靠性低，导致工艺出品率为51.6％，铸件中心位置出现缩松。

对比例3：补缩冒口不采用均衡凝固方法计算，采用铸钢件收缩参数计算，无法实现单一冒口补缩，从而出现缩松，若采用双冒口，即轮毂和轮缘处分别设立冒口，得到冒口偏大，导致越补越缩，且降低了工艺出品率，并且无法应用在DISA线上。

由以上实施例可知，对每个铸件采取独立补缩冒口进行补缩可大大提高铸件质量，DISA生产线的轮毂铸件只能通过均衡凝固原理及利用石墨化自补缩设计冒口。采用冷冒口，圆柱形有冒口窝冒口，收集冷却铁水并补缩铸件体收缩，最后计算所得结果需要校核。对本实施例铸件而言，冒口大小控制在Φ30mm×33mm为宜，误差均不超过1mm。冒口颈大小控制在3mm×15mm×3mm为宜，误差均不超过1mm。过大会降低工艺出品率增加成本，过小会降低补缩效果降低铸件质量。

铸件的排布方式尽量紧凑，节省空间，本发明一型8件的设计方式在保证铸件质量和工艺出品率的同时保持了DISA线上的生产效率，总体降低了生产成本。浇注系统采用等压等流量工艺设计方法设计，冒口与浇注系统分离，工艺设计较为简单，各小冒口相同便于实际操作，适合DISA自动规模生产，防止了各个铸件质量差异。原铸造工艺将冒口和浇注系统合为一体进行设计计算，无法同时兼顾二者的技术要求，本发明铸造工艺的冒口及浇注系统设计计算清晰、精确度高，且用数值模拟技术进行评估和优化，大大提高了设计的科学性和可靠性。计算得到浇道截面积在具体实施例中，误差控制在1mm²为宜。各浇道面积过大会造成充型顺序混乱造成铸件出现大量缺陷及降低工艺出品率。面积过小会造成充型速度过慢，出现浇不足及浇不满现象。

本发明未述及之处适用于现有技术。