CN106623794A - 生产小型圆环ht200铸件disa线上的浇冒口系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统及其设计方法，包括冒口、冒口颈和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道、横浇道和内浇道，横浇道的左右两边均连接有直浇道，在左侧的直浇道上分上下层布置四件铸件，每层两件铸件，且以左侧的直浇道为轴线对称分布，在右侧的直浇道的左边分上下层布置两件铸件；每个铸件通过相应的内浇道与相应的直浇道相通，其特征在于各浇道的横截面均为等腰梯形，每个内浇道与水平方向的夹角为30°，左右两侧相同层的内浇道的横截面积相同；每侧下层直浇道的横截面积为该侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，每侧上层直浇道的横截面积为该侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍。

Description

生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统及其设计 方法

技术领域

本发明属于铸铁工艺技术领域，具体涉及一种生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统及其设计方法，该浇冒口系统可以大幅度提高铸件的出品率。

背景技术

铸造是将熔融的金属浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状的性能的零件的过程，现有的铸件尤其是小型铸钢件通常在凝固完成后由于浇注系统的补缩不足，在铸件的厚壁处、两壁相交处及热节处形成缩松缩孔缺陷，缩松缺陷是一种重要的铸造缺陷，由于降低了承载载荷面的面积，它的存在会严重削弱铸件的强度和硬度，相对于大型铸件，小型铸件由于凝固较快更容易形成缩松缺陷，这会影响铸件的形状和使用性能，降低工件的成品率。

小型铸件在铸造成型过程中引入冒口是一种有效消除缩松缩孔缺陷，提高铸件质量的有效手段之一。但是合理的冒口设计(冒口模数和安放位置的选择)是优异工艺设计的关键环节。实验试错法无法有效地对铸件的缩松缩孔缺陷进行预测，大量的实验不仅延长了铸件工艺的研发周期，同时也浪费了大量的人力、物力、财力，使中国的铸造企业在国际中的竞争力降低。

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重量的一半以上。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线设备也存在一些不足，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，采用类似铸铁冒口设计经验方法设计冒口，缺乏严格的科学性，因此生产出的铸件常常出现缩孔缩松等缺陷，且工艺出品率很低(一般在50％左右)。本发明所研究的某小型圆环HT200铸件是一种灰铸铁铸件，在实际浇注中出现了这样的情况，工艺出品率偏低(57％)，且容易出现缩松缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统及其设计方法。该浇冒口系统及设计方法可以有效消除缩松缺陷，且能够显著提高铸造工艺的工艺出品率。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统，包括冒口、冒口颈和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道、横浇道和内浇道，横浇道的左右两边均连接有直浇道，在左侧的直浇道上分上下层布置四件铸件，每层两件铸件，且以左侧的直浇道为轴线对称分布，在右侧的直浇道的左边分上下层布置两件铸件；每个铸件通过相应的内浇道与相应的直浇道相通，其特征在于各浇道的横截面均为等腰梯形，每个内浇道与水平方向的夹角为30°，左右两侧相同层的内浇道的横截面积相同；每侧下层直浇道的横截面积为该侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，每侧上层直浇道的横截面积为该侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；以浇口杯为中心，每侧的横浇道的横截面积为该侧上层直浇道横截面积的1.3倍；所述冒口通过冒口颈安放在铸件的均衡段上。

一种上述的生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统的设计方法，设计冒口通过均衡凝固技术来确定冒口和冒口颈的模数和形状以及冒口的安放位置，同时配合等压等流量方法设计浇注系统，保证在浇注过程中每个型腔能够同时充满，并且冒口可以实现铸件在凝固过程中石墨化膨胀后的有限补缩。

与现有技术相比，本发明的突出优越性为：

1)在保证消除铸件缩松缩孔缺陷的前提下，将冒口和浇注系统的设计尺寸减小，使得铸件的工艺出品率由原来的57％提高到了77.12％；

2)原铸造工艺是将冒口和浇注系统合为一体进行设计计算，无法将冒口的有效补缩作用体现出来，设计的尺寸主要凭靠经验来获得，缺乏科学性，虽然经过多次实验调整，仍无法消除铸件中心的缩松缺陷，工艺出品率很低。本发明浇冒口系统是将铸件的浇注系统和冒口分开设计计算，计算结果清晰、准确度高，且利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严谨性。

3)原铸造工艺采用恒压等流量原理设计浇注系统，浇注时各铸件无法保证同时充填，影响铸件的质量。本发明采用等压等流量浇注系统，可以保证每个铸件达到等压、等流速、等流量、同时充填完毕。该工艺设计较为简单，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。

4)根据新设计方法计算，重新调整了铸件的分布，节省了空间，提高了铸件的生产效率。

附图说明

图1为本发明所述的小型圆环HT200铸件的结构示意图；

图2为现有技术生产小型圆环HT200铸件的浇冒口系统结构示意图；

图3为用数值模拟软件对现有技术的浇冒口系统生产的铸件进行模拟，得到的该铸件的缩松缩孔缺陷图；其中图3-1为缩孔的缺陷图，图3-2为缩松的缺陷图；

图4为本发明方法对铸件进行结构分体划分的分体示意图；

图5为本发明生产小型圆环HT200铸件的DISA线上的浇冒口系统的结构示意图；

图6为采用本发明浇冒口系统生产得到的铸件的数值模拟下的缩松缩孔缺陷图；其中图6-1为缩孔的缺陷图，图6-2为缩松的缺陷图；

图中，1为冒口，2为冒口颈，3为直浇道，4为浇口杯，5为横浇道，6为内浇道，7为铸件。

具体实施方式

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

本发明生产小型圆环HT200铸件(简称铸件)的DISA线上的浇冒口系统(简称浇冒口系统，参见图5)，包括冒口1、冒口颈2和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道3、横浇道5和内浇道6，横浇道5的左右两边均连接有直浇道3，在左侧的直浇道上分上下层布置四件铸件，每层两件铸件，且以左侧的直浇道为轴线对称分布，在右侧的直浇道的左边分上下层布置两件铸件7；每个铸件7通过相应的内浇道6与相应的直浇道3相通，其特征在于各浇道的横截面均为等腰梯形，且各浇道的横截面的面积均不同，每个内浇道与水平方向的夹角为30°，利用Osann公式计算上下两层内浇道的横截面积，左右两侧相同层的内浇道的横截面积相同；每侧下层直浇道的横截面积为该侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，每侧上层直浇道的横截面积为该侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍(即左侧下层直浇道的横截面积为左侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，左侧上层直浇道的横截面积为左侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；右侧下层直浇道的横截面积为右侧下层内浇道横截面积的1.2倍，右侧上层直浇道的横截面积为右侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍)；以浇口杯4为中心，每侧的横浇道的横截面积为该侧上层直浇道横截面积的1.3倍(即左侧的横浇道的横截面积为左侧上层直浇道横截面积的1.3倍，右侧横浇道的横截面积为右侧上层直浇道横截面积的1.3倍)；采用均衡凝固技术设计冒口的模数以及安放位置，所述冒口1通过冒口颈2安放在铸件7的均衡段上。

所述冒口的形状为圆柱形，冒口颈2的形状为长方体，该长方体的长宽高比为2:5:1。

本发明生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统的设计方法，设计冒口通过均衡凝固技术来确定冒口和冒口颈的模数和形状以及冒口的安放位置，同时配合等压等流量方法设计浇注系统，保证在浇注过程中每个型腔能够同时充满，并且冒口可以实现铸件在凝固过程中石墨化膨胀后的有限补缩。

设计方法的具体步骤如下：

第一步、冒口及冒口颈的设计

(1)对铸件进行分析，确定铸件缺陷的具体位置，获得铸件的基本参数，包括铸件材质，铸件体积为V，铸件表面积为S，铸件密度为ρ，铸件高度为h，铸件质量Gc；

(2)根据M_S＝f₂M_C计算铸件的收缩模数，其中f₂为铸件的收缩模数因数，Mc为铸件的模数；

(3)对铸件进行结构体划分，将小型圆环HT200铸件沿外圆接触面划分为三个结构分体，计算各分体的模数，然后将各分体模数与步骤(2)得到的铸件的收缩模数进行比较，确定铸件的均衡段，将冒口1安放在均衡段上；

(4)根据M_R＝f₁f₂f₃M_C计算冒口的模数M_R，其中f₁是冒口平衡因数，f₃为冒口压力因数；根据计算的冒口的模数及选取的冒口高度与冒口直径的比值H/D，查手册选择冒口形状以及尺寸，得到冒口的质量；

(5)根据M_N＝f_pf₂f₄M_C计算冒口颈的模数，其中f_p为流通效应因数，f_p＝0.45～0.55；f₂为铸件的收缩模数因数；f₄为冒口颈长度因数；根据冒口颈模数查手册选择冒口颈的形状以及尺寸，得到冒口颈的质量；

第二步、浇注系统的设计

采用等压等流量技术设计浇注系统，结合铸件充型过程数值模拟技术，设计出能够同时充填上下两层铸件、尺寸更小的浇注系统，具体步骤包括：

(6)根据所有铸件、冒口和冒口颈的总质量确定总的浇注金属液的质量、浇注时间以及浇口杯4；

(7)利用Osann公式计算上下两层内浇道的横截面积，左右两侧相同层的内浇道的横截面积相同；

(8)利用步骤(7)得到的各层内浇道的横截面积计算各层直浇道的横截面积，左侧下层直浇道的横截面积为左侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，左侧上层直浇道的横截面积为左侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；右侧下层直浇道的横截面积为右侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，右侧上层直浇道的横截面积为右侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；

(9)分别利用左右两侧直浇道的横截面积计算左右两侧横浇道的横截面积，左侧横浇道的横截面积为左侧上层直浇道横截面积的1.3倍，右侧横浇道的横截面积为右侧上层直浇道横截面积的1.3倍；

(10)将每个内浇道和水平方向之间的夹角均设置为30°，以节省空间和缓冲浇注的冲击效应；至此完成浇注系统的设计。

实施例1

本实施例生产小型圆环HT200铸件的DISA线上的浇冒口系统包括冒口1、冒口颈2和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道3、横浇道5和内浇道6，各浇道的横截面均为等腰梯形，各浇道的横截面的面积均不同，横浇道5的左右两边分别连接有直浇道3，在左侧的直浇道上分上下层布置四件铸件，每层两件铸件，且以左侧的直浇道为轴线对称分布，在右侧的直浇道的左边分上下层布置两件铸件7；每个铸件7的下部通过相应的内浇道6与相应的直浇道3相通，每个内浇道与水平方向的夹角为30°，上下两层内浇道的横截面积通过Osann公式计算求得；下层直浇道的横截面积是下层总内浇道横截面积的1.2倍，上层直浇道的横截面积是上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；以浇口杯4为中心，左侧的横浇道的横截面积为左侧上层直浇道横截面积的1.3倍，右侧横浇道的横截面积为右侧上层直浇道横截面积的1.3倍。

所述冒口1通过冒口颈2安放在铸件7的均衡段上，冒口的形状为圆柱形，冒口颈2的形状为长方体，该长方体的长宽高比为2:5:1。

本实施例需要生产的小型圆环HT200铸件的相关参数为：质量为2.5177kg，体积为321514.3641mm³，记为V，表面积为38656.9572mm²，记为S。材质为HT200，最小壁厚为14mm，具体铸件参见图1。

浇冒口系统的设计方法的具体步骤是：

第一步、冒口及冒口颈设计

(1)对铸件进行分析，确定铸件缺陷的具体位置，获得铸件的基本参数，包括铸件材质，铸件体积为V，铸件表面积为S，铸件密度为ρ，铸件高度为h，铸件质量Gc；

本实施例对图1的铸件进行分析，用数值模拟软件对现有技术生产的铸件的凝固过程进行数值模拟(现有技术的浇冒口系统参见图2)，得到如图3所示的缩松缩孔缺陷。

(2)计算铸件的收缩模数

1)铸件的整体模数

2)铸件的质量周界商

其中Gc为铸件的质量，Mc为铸件的模数。

3)铸件的收缩模数

Pc为铸件的收缩时间分数

f₂为铸件的收缩模数因数

M_S＝f₂M_C＝0.66cm

Ms为铸件的收缩模数

(3)对铸件进行结构体划分

根据铸件结构特征，将小型环类铸件沿外圆接触面划分为3个结构分体，从左到右分别标记为分体1，分体2和分体3，如图4所示。通过计算，得各分体模数分别为

M₁＝0.62cm，M₂＝0.73cm，M₃＝0.39cm。

因为M₂＞M_S＞M₁＞M₃，所以选择分体1为均衡段，分体2为热节，将冒口安放在分体1上。

(4)确定冒口模数以及冒口尺寸

M_R＝f₁f₂f₃M_C＝0.95cm，其中f₁是冒口平衡因数，f₃为冒口压力因数，f₁＝1.2,f₃＝1.2。

选用圆柱形有冒口窝冒口体

H/D＝1.1 D＝55mm H＝60mm

H为冒口的高度，D为冒口的直径。

S_R＝169mm²,V_R＝169cm³,G_R＝1.17kg,M_R＝1cm

S_R为冒口的散热表面积，V_R为冒口的体积，G_R为冒口的重量，M_R为冒口的收缩模数。

(5)确定冒口颈的模数以及尺寸

M_N＝f_pf₂f₄M_C＝0.25cm

式中f_p为流通效应因数，f_p＝0.45～0.55；f₂为收缩模数因数；f₄为冒口颈长度因数，冒口颈越长，则f₄越大。

e＝2M_N＝2×0.25＝0.5cm＝5mm

W＝25mm L＝10mm

e为冒口颈的厚度，W为冒口颈的宽度，L为冒口颈的长度

最终选用的冒口形状为圆柱形冒口，冒口颈为长宽高比为2:5:1的长方体。

第二步、浇注系统设计

(6)铸件的质量为2.6kg，(因为铸件浇注完成后需要进行加工切除毛边，因此浇注时的铸件质量要比实际质量大)共布置6件，则铸件总质量为15.6kg，冒口的总质量为7.02kg，因此铸件和冒口的总质量为22.6kg，按出品率60％计算，则浇注的总金属液质量为26kg。浇注时间为8s，2s填充浇道，6s填充铸型。选用手工造型3号浇口杯。

(7)利用Osann公式计算上下两层内浇道的横截面积

上层内浇道的横截面积为：

下层内浇道的横截面积为：

G为流经截面积的金属液质量；

ρ为材料的密度；

μ为流量系数；

τ为金属液流经截面积时间；

g为重力加速度；

h_p为平均实际压头；

(8)计算各层直浇道的横截面积

左侧下层直浇道的横截面积为：A_直左下＝1.2×2×A₂＝120mm²

左侧上层直浇道的横截面积为：A_直左上＝1.2×2×(A₁+A₂)＝280mm²

右侧下层直浇道的横截面积为：A_直右下＝1.2×A₂＝60mm²

右侧上层直浇道的横截面积为：A_直右上＝1.2×(A₁+A₂)＝140mm²

(9)计算左右两侧横浇道横截面积

左侧横浇道的横截面积为：A_横左＝1.3×A_直左上＝364mm²

右侧横浇道的横截面积为：A_横右＝1.3×A_直右上＝185mm²

各浇道的横截面形状均为等腰梯形。

(10)为了节省空间以及缓冲浇注的冲击，将每个内浇道设置为与水平方向的夹角为30度。

利用数值模拟软件对使用上述浇注系统和冒口的铸造过程进行数值模拟，得到如图6所示的铸件缩松缩孔图，观察发现通过本实施例的浇冒口系统及设计方法获得的铸件无缩松缩孔现象，对比图3和图6可知，相对于现有的工艺(无缩孔现象，有缩松现象)本申请的铸件既没有缩孔现象也没有缩松现象，克服了现有浇冒口系统的不足。

另外，对使用本发明的浇冒口系统得到的铸件进行机加工切片，对断口进行肉眼观察，没有发现针孔点的缺陷，再对铸件进行金相组织观察，也没有发现微观缩松孔洞。同时本申请的工艺出品率为77.2％，与原工艺比较，出品率提高了20％。

上述实施例表明本申请可以有效改善铸件的质量，同时提高了铸件的出品率，并且该浇注系统结构简单，方便推广和应用。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统，包括冒口、冒口颈和浇注系统，所述浇注系统包括直浇道、横浇道和内浇道，横浇道的左右两边均连接有直浇道，在左侧的直浇道上分上下层布置四件铸件，每层两件铸件，且以左侧的直浇道为轴线对称分布，在右侧的直浇道的左边分上下层布置两件铸件；每个铸件通过相应的内浇道与相应的直浇道相通，其特征在于各浇道的横截面均为等腰梯形，每个内浇道与水平方向的夹角为30°，左右两侧相同层的内浇道的横截面积相同；每侧下层直浇道的横截面积为该侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，每侧上层直浇道的横截面积为该侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；以浇口杯为中心，每侧的横浇道的横截面积为该侧上层直浇道横截面积的1.3倍；所述冒口通过冒口颈安放在铸件的均衡段上。

2.根据权利要求1所述的生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统，其特征在于所述冒口的形状为圆柱形，冒口颈的形状为长方体，该长方体的长宽高比为2:5:1。

3.一种权利要求1或2所述的生产小型圆环HT200铸件DISA线上的浇冒口系统的设计方法，其特征在于设计冒口通过均衡凝固技术来确定冒口和冒口颈的模数和形状以及冒口的安放位置，同时配合等压等流量方法设计浇注系统，保证在浇注过程中每个型腔能够同时充满，并且冒口可以实现铸件在凝固过程中石墨化膨胀后的有限补缩。

4.根据权利要求3所述的浇冒口系统的设计方法，包括以下步骤：

第一步、冒口及冒口颈的设计

1)对铸件进行分析，确定铸件缺陷的具体位置，获得铸件的基本参数，包括铸件材质，铸件体积为V，铸件表面积为S，铸件密度为ρ，铸件高度为h，铸件质量Gc；

2)根据M_S＝f₂M_C计算铸件的收缩模数，其中f₂为铸件的收缩模数因数，Mc为铸件的模数；

3)对铸件进行结构体划分，将小型圆环HT200铸件沿外圆接触面划分为三个结构分体，计算各分体的模数，然后将各分体模数与步骤2)得到的铸件的收缩模数进行比较，确定铸件的均衡段，将冒口安放在均衡段上；

4)根据M_R＝f₁f₂f₃M_C计算冒口的模数M_R，其中f₁是冒口平衡因数，f₃为冒口压力因数；根据计算的冒口的模数及选取的冒口高度与冒口直径的比值H/D，查手册选择冒口形状以及尺寸，得到冒口的质量；

5)根据M_N＝f_pf₂f₄M_C计算冒口颈的模数，其中f_p为流通效应因数；f₂为铸件的收缩模数因数；f₄为冒口颈长度因数；根据冒口颈模数查手册选择冒口颈的形状以及尺寸，得到冒口颈的质量；

第二步、浇注系统的设计

采用等压等流量技术设计浇注系统，结合铸件充型过程数值模拟技术，设计出能够同时充填上下两层铸件、尺寸更小的浇注系统，具体步骤包括：

6)根据所有铸件、冒口和冒口颈的总质量确定总的浇注金属液的质量、浇注时间以及浇口杯；

7)利用Osann公式计算上下两层内浇道的横截面积，左右两侧相同层的内浇道的横截面积相同；

8)利用步骤7)得到的各层内浇道的横截面积计算各层直浇道的横截面积，左侧下层直浇道的横截面积为左侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，左侧上层直浇道的横截面积为左侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；右侧下层直浇道的横截面积为右侧下层总内浇道横截面积的1.2倍，右侧上层直浇道的横截面积为右侧上下两层总内浇道横截面积的1.2倍；

9)分别利用左右两侧直浇道的横截面积计算左右两侧横浇道的横截面积，左侧横浇道的横截面积为左侧上层直浇道横截面积的1.3倍，右侧横浇道的横截面积为右侧上层直浇道横截面积的1.3倍；

10)将每个内浇道和水平方向之间的夹角均设置为30°，即完成浇注系统的设计。