CN110918893B - 一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池、直浇道和横浇道，横浇道连接有内浇道，直浇道与横浇道之间通过浇道过渡圆弧过渡连接，具体包括：设计直浇道，选择浇口池，设计浇道间的过渡段，设计横浇道和内浇道，适流曲线形重力浇注系统设计完成。本发明所设计的重力浇注系统能够达到金属液在浇注系统内下落过程中接近自由落体运动，金属液和浇道之间不存在气体间隙，从而使金属液流在重力浇注系统中下落及转弯时能够精确控流和控速。

Description

一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，涉及一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法。

背景技术

重力铸造是铸件生产中被广泛使用、较经济的铸造成形方式，重力铸造浇注系统充型过程中存在对金属液约束不合理的问题，易造气体、氧化夹渣卷入问题，对铸件质量产生不利影响。重力铸造浇注设计的难点就是金属液在浇注系统中的控流、控速和平稳充型、防止卷气及卷渣问题。

目前铸钢、铸铁等铸件生产时浇注系统常采用的是上、下截面相同的圆柱形直浇道，部分中大型铸件生产使用等直径陶瓷管埋入砂型内作为直浇道，且直浇道与横浇道之间采用90°垂直转向过渡，这种浇注系统存在以下问题：由于金属液自由下落时，其流速随下落距离而增大，液流的截面积也相应地缩小。浇注初期金属液经过浇注系统时处于非充满状态，型壁与金属液之间产生间隙，该间隙呈现负压状态，型内的气体、液流表面氧化膜在此处源源不断地卷入金属液流中，导致产品报废。

为使浇注系统直浇道内达到充满状态，目前直浇道的形状为直锥形，使用大锥度的直浇道的浇注系统的也存在问题，浇注系统高度不变的情况下重力势能增加，直浇道内部金属液将承受到更大的压强，导致直浇道出口处金属液流动速度增大，易产生紊流、飞溅等不利于平稳充型，同时对型腔冲击力量大，增加了型内掉砂等风险。

对浇注系统中的金属液控制流动状态的同时不增加流动速度，避免浇注系统浇道卷气、卷渣和高速冲型是改善重力浇注条件的重要目标。文献《Casting Practice》byJohn·Campbell一书中指出金属液流下落的运动为双曲线形，直浇道最合适的形状尺寸应当恰好满足熔液的下落形状且金属液和直浇道之间不存在气体间隙，对金属液控形、控速提出设计思路，但未给出怎样设计符合金属液下落形状浇道的具体设计方法。中国专利《一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统及其设计方法》(申请号：201110269115.7，申请日：2011.09.13，公告日：2012.01.18，公告号CN102319891A)公开了为避免浇注系统卷气、卷渣，采用上大下小的直锥形直浇道，计算出直锥形下端尺寸后按比例控制直浇道上端、直浇道转弯以及横浇道的截面尺寸，该专利未按金属自然下落形态设计直浇道段形状，未涉及形状对金属液流速度的影响问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，金属液流在重力浇注系统中下落及转弯时能够精确控流和控速。

本发明所采用的技术方案是，一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池、直浇道和横浇道，横浇道连接有内浇道，直浇道与横浇道、横浇道与内浇道之间均通过浇道过渡圆弧过渡连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道

确定铸件的浇注工艺条件，如浇注重量，浇注时间，砂型高度，按金属液自由落体状态计算各下落高度处的瞬时速度，再根据浇注金属液浇注重量、金属密度、浇注时间计算出每秒通过某一横截面的金属液体积值，金属液体积值即为所通过的横截面面积与该横截面处金属液流的瞬时速度乘积，根据不同高度截面金属液等流量原则，计算出经过微分的直浇道段每个高度处的横截面积值及横截面尺寸，叠加后得到适流浇注系统金属液下落阶段曲线形理论外形，以大小匹配的浇口池替代直浇道段上部分，下部分形状不变，两部分拟合成金属液自由下落状态的适流曲线形状，根据该适流曲线形状形成浇注系统直浇道设计；

步骤2、选择浇口池

根据浇口池段尺寸要求选择浇口池类型及大小；

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道与横浇道、横浇道与内浇道之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即浇道过渡圆弧；

步骤4、设计横浇道和内浇道，适流曲线形重力浇注系统设计完成。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧的内圆弧半径；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s

由式(9)和式(7)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道，将直浇道上段即H₁段由浇口池代替，理论直浇道除H₁段外的其余部分截面形状均满足式(10)，且横截面均为圆形。

步骤2具体为，浇口池采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池的满载容量为浇注重量1/4～1/8。

步骤3中，浇道过渡圆弧的内圆弧半径R为直浇道底部出口端直径的1～3倍，浇道过渡圆弧入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧的出口端截面积A_R出为：

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝(1.1～1.25)A_R入＝(1.1～1.25)A₂。

步骤4中设计横浇道具体为，横浇道采用等径结构，其截面积为，

A_横＝(1.1～1.25)A_R入＝(1.1～1.25)A₂ (14)。

步骤4中，内浇道的方向采用底返向上方式或水平方向设置。

当内浇道采用底返向上方式设置，内浇道总截面积A_内为直浇道出口端截面积A₂的1.4～1.6倍；

当内浇道采用水平方向设置时，内浇道总截面积A_内为直浇道出口端截面积A₂的1.2～1.4倍，内浇道数量根据产品结构、均衡充型要求而定，当内浇道为单一水平方向内浇道结构时，A_内为直浇道出口端截面积A₂的1.2倍。

浇注系统各部分截面积关系如下，直浇道出口端截面积：横浇道截面积：内浇道总截面积＝1：1.2：1.4～1.6。

浇注系统中直浇道、浇道过渡圆弧、横浇道、内浇道均为一体成型，浇口池与直浇道一体成型或密封连接。

本发明的有益效果是：

本发明一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，根据金属液自然下落曲线形状、液流下落速度规律及其在管道内转向时的减速流动规律来设计浇注系统各部分截面形状的适流曲线形重力浇注系统，达到金属液在浇注系统内下落过程中接近自由落体运动、和浇道之间不存在气体间隙的目的，使金属液流在下落及转弯时能够精确控流和控速，本发明同样适用于铜、铝合金等铸件的重力铸造成形。本发明一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法所设计的适流曲线形重力浇注系统具有如下优点：1)适流重力浇注系统结构设置简单，集防止卷气、卷渣(浇注系统产生氧化夹渣)和不增加金属液流速的工艺优点于一体，与传统按比例控制的浇注系统有质的提升；2)有效降低浇注系统中的气隙和氧化夹杂卷入型腔，大大减少浇注系统本身的粘砂问题，方便浇冒系统回炉再使用；3)适流浇注系统可单独造型，而后固定于砂型造型模具上整体造型，操作方便。

附图说明

图1是本发明一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法浇注系统的结构示意图；

图2是本发明一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法中浇注系统与直浇道段理论形状拟合示意图。

图中，1.浇口池、2.直浇道、3.浇道过渡圆弧、4.横浇道、5.内浇道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，如图1所示，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池1、直浇道2和横浇道4，横浇道4连接有内浇道5，直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间均通过浇道过渡圆弧3过渡连接，浇注系统中直浇道2、浇道过渡圆弧3、横浇道4、内浇道5均为一体成型，浇口池1与直浇道2一体成型或密封连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道2

确定铸件的浇注工艺条件，如浇注重量，浇注时间，砂型高度，按金属液自由落体状态计算各下落高度处的瞬时速度，再根据浇注金属液浇注重量、金属密度、浇注时间计算出每秒通过某一横截面的金属液体积值，金属液体积值即为所通过的横截面面积与该横截面处金属液流的瞬时速度乘积，根据不同高度截面金属液等流量原则，由此可以计算出经过微分的直浇道2段每个高度处的横截面积值及横截面尺寸，叠加后得到适流浇注系统金属液下落阶段曲线形理论外形，如图2所示，以大小匹配的浇口池1替代直浇道段上部分，下部分形状不变，两部分拟合成金属液自由下落状态的适流曲线形状，根据该适流曲线形状形成浇注系统直浇道2设计；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道2上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧3的内圆弧半径；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s，

由式(9)和式(7)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道2，将直浇道2上段即H₁段由浇口池代替，直浇道2除H₁段外的其余部分截面形状均满足式(10)，直浇道2的横截面均为圆形。

步骤2、选择浇口池1

浇口池1采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池1的满载容量为浇注重量1/4～1/8，浇口池出口端尺寸与直浇道2入口相关连接，尺寸一致。

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即浇道过渡圆弧3；

浇道过渡圆弧3的内圆弧半径R为直浇道2底部出口端直径的1～3倍，浇道过渡圆弧3入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧3转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧3的出口端截面积A_R出为:

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝(1.1～1.25)A_R入＝(1.1～1.25)A₂。

步骤4、设计横浇道4和内浇道5，适流曲线形重力浇注系统设计完成横浇道4采用等径结构，其截面积为，

A_横＝(1.1～1.25)A_R入＝(1.1～1.25)A₂ (14)；

内浇道5的方向采用底返向上方式或水平方向设置，

当内浇道5采用底返向上方式设置，内浇道5总截面积A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.4～1.6倍；

当内浇道5采用水平方向设置时，内浇道5总截面积A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.2～1.4倍，内浇道数量根据产品结构、均衡充型要求而定，当内浇道5为单一水平方向内浇道5结构时，A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.2倍。对于结构简单、壁厚较大的铸件，内浇道5水平方式设置时，省去横浇道4，直浇道2依次连接浇道过渡圆弧3和内浇道5。

浇注系统各部分截面积关系也可按照如下比例设计，直浇道2出口端截面积：横浇道4截面积：内浇道5总截面积＝1：1.2：1.4～1.6。

通过上述方式，本发明一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，以自由落体及管道内转向的自然流动临界状态为基础(下落阶段临界充满但对型壁无压力状态)进行浇注系统下落及转向段的理论形状设计，生产中金属液粘度(或浇注温度)、型腔内液面上升产生的金属液内阻力等(难测定边界条件)因素会影响该临界状态使之产生小偏移，将金属液流推向充满且对浇道型壁有一定正压这样一种状态。与直锥形直浇道的浇注系统相比，不增加浇注系统内金属液势能和金属液在浇注系统出口处压强，因此不会增加流出速度。如此形成适流曲线形浇注系统，既让浇注系统中金属液呈动态充满状态，避免紊流状态，避免气体、氧化膜、夹杂等卷入，又不过度对金属液建立压力，控制金属液出口流速，改善因浇注系统出口金属液速度过快导致的高速冲型掉砂等问题，从而为重力铸造提供更优化的浇注系统技术方案。

实施例1

本实施例提供一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，所设计的重力浇注系统用于球墨铸铁材质的柴油机某型缸盖的重力浇注，铸件砂型顶面距离铸件底面为110cm，侧面单内浇道斜注入方式(无横浇道)，根据铸件底部厚度结构，距离铸件底面预留4cm高度设置内浇口(即圆弧弯过渡R最下端距离铸件底面4cm)，浇注系统包括浇口池1、直浇道2、浇道过渡圆弧3和内浇道5，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道2

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道2上端面距离为H₁＝17cm，金属液垂直下落段总距离为H₂＝100cm，金属液由液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R＝106cm (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧3的内圆弧半径，R＝6cm；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液垂直速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M＝400kg和浇注时间T＝24s确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量M、浇注时间T关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，ρ＝7.3g/cm^-3，

由式(7)和式(9)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]＝123.8/(H_n ^1/2)cm² (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

则A₁＝30cm²，直径D₁＝6.18cm，A₂＝12.4cm²，直径D₂＝4cm。

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道2，将直浇道2上段即H₁段由浇口池代替，直浇道2除H₁段外的其余部分设计均满足式(10)，直浇道2的横截面均为圆形。

步骤2、选择浇口池1

浇口池1采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池1的满载容量为80kg，浇口池出口直径6.18cm。

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即为浇道过渡圆弧3；

浇道过渡圆弧3的内圆弧半径R为直浇道2底部出口端直径的1～3倍，浇道过渡圆弧3入口截面积A_R入与直浇道2出口端截面积A₂一致，A_R入＝12.4cm²，则

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧3转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧3的出口端截面积A_R出为:

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

取A_R出＝1.2A_R入＝13.6cm²。

步骤4、设计内浇道5，适流曲线形重力浇注系统设计完成

内浇道5的方向水平方向设置，内浇道5总截面积为A_内＝A_R出＝15.5cm²，内浇道5长度150mm。

采用该实施例设计的适流浇注系统，铸件充型完整，落砂清理后浇注系统和铸件表面均光洁无粘砂，内部解剖检查无缺陷。

实施例2

本实施例提供一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池1、直浇道2和横浇道4，横浇道4连接有内浇道5，直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间均通过浇道过渡圆弧3过渡连接，浇注系统中直浇道2、浇道过渡圆弧3、横浇道4、内浇道5均为一体成型，浇口池1与直浇道2密封连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道2

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道2上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧3的内圆弧半径；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s，

由式(9)和式(7)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道2，将直浇道2上段即H₁段由浇口池代替，直浇道2除H₁段外的其余部分截面形状均满足式(10)，直浇道2的横截面均为圆形。

步骤2、选择浇口池1

浇口池1采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池1的满载容量为浇注重量1/4，浇口池出口端尺寸与直浇道2入口相关连接，尺寸一致。

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即浇道过渡圆弧3；

浇道过渡圆弧3的内圆弧半径R为直浇道2底部出口端直径的1倍，浇道过渡圆弧3入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧3转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧3的出口端截面积A_R出为：

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝1.1A_R入＝1.1A₂。

步骤4、设计横浇道4和内浇道5，适流曲线形重力浇注系统设计完成横浇道4采用等径结构，其截面积为，

A_横＝1.1A_R入＝1.25A₂ (14)；

内浇道5采用底返向上方式设置，内浇道5总截面积A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.4倍。

实施例3

本实施例提供一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池1、直浇道2和横浇道4，横浇道4连接有内浇道5，直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间均通过浇道过渡圆弧3过渡连接，浇注系统中直浇道2、浇道过渡圆弧3、横浇道4、内浇道5均为一体成型，浇口池1与直浇道2一体成型，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道2

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道2上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧3的内圆弧半径；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s，

由式(9)和式(7)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道2，将直浇道2上段即H₁段由浇口池代替，直浇道2除H₁段外的其余部分截面形状均满足式(10)，直浇道2的横截面均为圆形。

步骤2、选择浇口池1

浇口池1采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池1的满载容量为浇注重量1/8，浇口池出口端尺寸与直浇道2入口相关连接，尺寸一致。

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即浇道过渡圆弧3；

浇道过渡圆弧3的内圆弧半径R为直浇道2底部出口端直径的3倍，浇道过渡圆弧3入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧3转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧3的出口端截面积A_R出为:

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂。

步骤4、设计横浇道4和内浇道5，适流曲线形重力浇注系统设计完成横浇道4采用等径结构，其截面积为，

A_横＝1.25A_R入＝1.25A₂ (14)；

内浇道5采用水平方向设置时，内浇道5总截面积A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.4倍。

实施例4

本实施例提供一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池1、直浇道2和横浇道4，横浇道4连接有内浇道5，直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间均通过浇道过渡圆弧3过渡连接，浇注系统中直浇道2、浇道过渡圆弧3、横浇道4、内浇道5均为一体成型，浇口池1与直浇道2密封连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道2

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道2上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧3的内圆弧半径；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s，

由式(9)和式(7)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道2，将直浇道2上段即H₁段由浇口池代替，直浇道2除H₁段外的其余部分截面形状均满足式(10)，直浇道2的横截面均为圆形。

步骤2、选择浇口池1

浇口池1采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池1的满载容量为浇注重量1/6，浇口池出口端尺寸与直浇道2入口相关连接，尺寸一致。

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即浇道过渡圆弧3；

浇道过渡圆弧3的内圆弧半径R为直浇道2底部出口端直径的2倍，浇道过渡圆弧3入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧3转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧3的出口端截面积A_R出为:

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝1.2A_R入＝1.2A₂。

步骤4、设计横浇道4和内浇道5，适流曲线形重力浇注系统设计完成横浇道4采用等径结构，其截面积为，

A_横＝1.2A_R入＝1.2A₂ (14)；

内浇道5采用底返向上方式设置，内浇道5总截面积A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.5倍。

实施例5

本实施例提供一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池1、直浇道2和横浇道4，横浇道4连接有内浇道5，直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间均通过浇道过渡圆弧3过渡连接，浇注系统中直浇道2、浇道过渡圆弧3、横浇道4、内浇道5均为一体成型，浇口池1与直浇道2一体成型，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道2

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道2上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧3的内圆弧半径；

步骤1.2、假设浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状体下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由金属液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s，

由式(9)和式(7)可以计算金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道2，将直浇道2上段即H₁段由浇口池代替，直浇道2除H₁段外的其余部分截面形状均满足式(10)，直浇道2的横截面均为圆形。

步骤2、选择浇口池1

浇口池1采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，浇口池1的满载容量为浇注重量1/7，浇口池出口端尺寸与直浇道2入口相关连接，尺寸一致。

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道2与横浇道4、横浇道4与内浇道5之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，圆弧弯道即浇道过渡圆弧3；

浇道过渡圆弧3的内圆弧半径R为直浇道2底部出口端直径的2倍，浇道过渡圆弧3入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧3转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧3的出口端截面积A_R出为:

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂。

步骤4、设计横浇道4和内浇道5，适流曲线形重力浇注系统设计完成横浇道4采用等径结构，其截面积为，

A_横＝1.25A_R入＝1.25A₂ (14)；

内浇道5采用底返向上方式设置，内浇道5总截面积A_内为直浇道2出口端截面积A₂的1.6倍。

Claims (8)

1.一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，所述浇注系统包括由上至下依次设置的浇口池(1)、直浇道(2)和横浇道(4)，所述横浇道(4)连接有内浇道(5)，所述直浇道(2)与横浇道(4)、横浇道(4)与内浇道(5)之间均通过浇道过渡圆弧(3)过渡连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1、设计直浇道(2)

确定铸件的浇注工艺条件，浇注重量，浇注时间，砂型高度，按金属液自由落体状态计算各下落高度处的瞬时速度，再根据浇注金属液浇注重量、金属密度、浇注时间计算出每秒通过某一横截面的金属液体积值，金属液体积值即为所通过的横截面面积与该横截面处金属液流的瞬时速度乘积，根据不同高度截面金属液等流量原则，计算出经过微分的直浇道(2)段每个高度处的横截面积值及横截面尺寸，叠加后得到适流浇注系统金属液下落阶段曲线形理论外形，以大小匹配的浇口池(1)替代直浇道段上部分，下部分形状不变，两部分拟合成金属液自由下落状态的适流曲线形状，根据该适流曲线形状形成浇注系统直浇道(2)设计；

所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、金属液在浇注系统中垂直下落阶段，金属液面到直浇道(2)上端面距离为H₁，金属液垂直下落段总距离为H₂，金属液由金属液面下落距离H₁时，该处流速为V₁、横截面积为A₁，金属液由金属液面下落距离H₂时，该处流速为V₂、横截面积为A₂，浇注系统总高度为定义为H，则

H＝H₂+R (6)

式(6)中，R为浇道过渡圆弧(3)的内圆弧半径；

步骤1.2、浇口池液面处金属液重力方向的速度为0m/s，金属液下落过程处于连续状态，金属液水平截面形状按圆形计算，则按自由落体状态下的临界条件计算，金属液下落高度和瞬时速度关系如下：

金属液由液面下落任意距离H_n时，

瞬时速度V_n＝(2gH_n)^1/2 (7)

式(7)中，g是重力加速度，取g＝9.8m/s²，

各下落高度处横截面面积满足如下关系，

V₁·A₁＝V₂·A₂＝(2gH_n)^1/2·A_n (8)

步骤1.3、对浇注重量M和浇注时间T确定的工艺方案金属液由液面下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道横截面积A_n与浇注重量、浇注时间关系满足如下关系式：

M＝V_n·A_n·ρ·T (9)

式(9)中，ρ为金属液的密度，浇注重量M的单位是kg，浇注时间T的单位是s，

由式(9)和式(7)可以计算金属液下落任意距离H_n时，金属液流经直浇道的横截面积A_n，

A_n＝M/(V_n·ρ·T)＝M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T] (10)；

步骤1.4、为使浇注系统的设计效果更直观且方便使用，引入金属液由液面下落任意距离H_n处金属液所流经的横截面直径D_n，可将式(8)换算为下落距离H_n和该处截面直径D_n之间的关系式：

D_n＝{4M/[(2gH_n)^1/2·ρ·T·π]}^1/2 (11)

步骤1.5、由式(10)可知，理论上金属液流不受约束自由下落时的纵向双侧外轮廓形状是曲线形状，为避免浇注时金属液直接冲击直浇道(2)，将直浇道(2)上段即H₁段由浇口池(1)代替，理论直浇道(2)除H₁段外的其余截面形状均满足式(10)，且横截面均为圆形；

步骤2、选择浇口池(1)

根据浇口池(1)段尺寸要求选择浇口池(1)类型及大小；

步骤3、设计浇道间的过渡段

直浇道(2)与横浇道(4)、横浇道(4)与内浇道(5)之间的转向均分别采用90°的圆弧弯道过渡，即浇道过渡圆弧(3)；

步骤4、设计横浇道(4)和内浇道(5)，适流曲线形重力浇注系统设计完成。

2.根据权利要求1所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，步骤2具体为，所述浇口池(1)采用圆形堤坝式浇口偏置的浇口池，所述浇口池(1)的满载容量为浇注重量1/4～1/8。

3.根据权利要求1所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，所述浇道过渡圆弧(3)的内圆弧半径R为直浇道(2)底部出口端直径的1～3倍，所述浇道过渡圆弧(3)入口截面积为A_R入，A_R入与直浇道出口端截面积A₂一致，即

R＝(4A_R入/π)^1/2～3×(4A_R入/π)^1/2＝(4A₂/π)^1/2～3×(4A₂/π)^1/2 (12)

金属液流经90°浇道过渡圆弧(3)转弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速降低20％，根据关系式(12)可知浇道过渡圆弧(3)的出口端截面积A_R出为:

A_R出＝1.25A_R入＝1.25A₂ (13)

设计时取A_R出＝(1.1～1.25)A_R入＝(1.1～1.25)A₂。

4.根据权利要求3所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，所述步骤4中设计横浇道(4)具体为，横浇道(4)采用等径结构，其截面积为，

A_横＝(1.1～1.25)A_R入＝(1.1～1.25)A₂ (14)。

5.根据权利要求3所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，所述步骤4中，所述内浇道(5)的方向采用底返向上方式或水平方向设置。

6.根据权利要求5所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，当所述内浇道(5)采用底返向上方式设置，所述内浇道(5)总截面积A_内为直浇道(2)出口端截面积A₂的1.4～1.6倍；

当所述内浇道(5)采用水平方向设置时，内浇道(5)总截面积A_内为直浇道(2)出口端截面积A₂的1.2～1.4倍，内浇道数量根据产品结构、均衡充型要求而定，当所述内浇道(5)为单一水平方向内浇道(5)结构时，A_内为直浇道(2)出口端截面积A₂的1.2倍。

7.根据权利要求1所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，所述浇注系统各部分截面积关系如下，直浇道(2)出口端截面积：横浇道(4)截面积：内浇道(5)总截面积＝1：1.2：1.4～1.6。

8.根据权利要求1所述的一种适流曲线形重力浇注系统的设计方法，其特征在于，所述浇注系统中直浇道(2)、浇道过渡圆弧(3)、横浇道(4)、内浇道(5)均为一体成型，所述浇口池(1)与直浇道(2)一体成型或密封连接。

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