CN111360201A - 一种内齿轮箱铸造结构及铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内齿轮箱铸造结构及铸造方法，该铸造结构，采用底注式浇注系统，下部设置底层浇道，改进后的浇注系统是在铸件冒口根部上部设置上层补充浇道，能够调整铸件凝固时的温度梯度，增加冒口的补缩作用，同时改善了局部过热现象。通过该铸造结构的实施，减少了铸件生产过程中的裂纹、疏松、夹渣等冶金缺陷，铸件的合格率提高了50％，降低了废品损失，节约了成本。

Description

一种内齿轮箱铸造结构及铸造方法

【技术领域】

本发明属于铝合金型砂铸造技术领域，具体涉及一种内齿轮箱铸造装置及铸造方法。

【背景技术】

对于航空发动机用内齿轮箱座铸件，是某新型发动机承受高温工作环境的关键件，铸件结构尺寸如图1所示，属薄壁类结构；最大外廓尺寸为320mm×172mm，分内壁和外壁双层，主体壁厚4.1mm，上下安装边比较厚大，上安装边厚19mm，下安装边厚15.2mm。该铸件化学成分如表1所示，材料为ZL208，该合金有多种元素，具有优良的高温力学性能，并兼具较高的室温强度，铸件最后经X射线及荧光检查，不允许有裂纹、冷隔、较严重的疏松和絮状偏析。制造过程中由于铸件形状结构复杂，砂型铸造中砂芯较多，因此采用自硬树脂砂造型、制芯，底注式一次成型，以保证铸件的几何尺寸，但是在铸造过程中，该合金材料使用现有的铸造方法，凝固时平均收缩率为1.4％，疏松和热裂倾向较大，铸造生产时易产生裂纹、夹渣、疏松、偏析缺陷，铸件报废严重。

表1铸件化学成分

元素

Cu

Si

Mn

Sb

Co

Co+Sb

含量

4.5～5.5

≤0.30

0.2～0.3

0.1～0.4

0.1～0.4

≤0.6

元素

Ni

Fe

Ti

Zr

Ti+Zr

Al

含量

1.3～1.8

≤0.50

0.15～0.25

0.10～0.3

≤0.50

余

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种内齿轮箱铸造结构及铸造方法，以解决铸造生产时易产生裂纹、夹渣、疏松、偏析缺陷，铸件报废严重的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种内齿轮箱铸造结构，包括底层浇道和若干个上层补充浇道，底层浇道和上层补充浇道均连通至型腔；底层浇道围绕型腔的下端设置，底层浇道的内侧和型腔的下端连通，底层浇道外侧连通至下直浇道；所述型腔上端面的中心处设置有上直浇道，上直浇道垂直于型腔上端面；所述上层补充浇道设置在型腔的上部，若干个上层补充浇道围绕上直浇道等分布置；每一个上层补充浇道的外端连通至一个顶冒口；上直浇道的下端、上层补充浇道的内端及型腔在一点连通。

优选的，所述底层浇道包括底层横浇道和底层内浇道，所述底层横浇道为设置有缺口的环形，底层横浇道围绕型腔的下端，底层横浇道和型腔的下端同圆心；底层内浇道设置有M个，M≥2；每一个底层内浇道的内端和型腔的下端连通，外端和底层横浇道连通，底层横浇道和下直浇道的下端连通；底层横浇道的高度高于底层内浇道的高度。

优选的，M为6，6个底层内浇道沿底层横浇道的周向等分布置，每一个底层内浇道的轴线为底层横浇道的径向方向。

优选的，型腔的下断面围绕其周向固定设置有冷铁；冷铁沿其周向等分为4块，相邻冷铁之间的间隙为3～5mm；冷铁的厚度为下安装边厚度的0.8～1.0倍。

优选的，所述顶冒口的横截面为弧形，顶冒口上端的横截面积大于其下端的横截面积。

优选的，上安装边和下安装边之间为内齿轮箱的外壁，外壁连通有若干个侧冒口。

优选的，所述铸造结构的上型和砂芯选用树脂型砂，下型选用粘土型砂。

优选的，浇注时，第一包合金液从下直浇道注入底层浇道，从底层浇道进入型腔，合金液在型腔内上升并填充型腔，待合金液上升至型腔的上端面时，将第二包合金液从上直浇道注入上层补充浇道中，合金液流入顶冒口中。

优选的，第一包合金液的浇注速度为60cc/s-100cc/s；第二包合金液的浇注速度为40cc/s-60cc/s。

优选的，浇注温度为740～750℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种内齿轮箱铸造结构，该铸造结构，采用底注式浇注系统，下部设置底层浇道，改进后的浇注系统是在铸件冒口根部上部设置上层补充浇道，能够调整铸件凝固时的温度梯度，增加冒口的补缩作用，同时改善了局部过热现象。通过该铸造结构的实施，减少了铸件生产过程中的裂纹、疏松、夹渣等冶金缺陷，铸件的合格率提高了50％，降低了废品损失，节约了成本。

进一步的，底层横浇道围绕下安装边设置，使得合金液从下直浇道流入底层横浇道后，能够沿着横浇道流动，又因为底层内浇道围绕在下安装边等分，使得合金液能够从底层内浇道均匀的进入下安装边，进而进入型腔内部，合金液能够均匀的在型腔内上升。

进一步的，底层内浇道的方向为径向，使得合金液能够快速的进入型腔内。

进一步的，在下安装边的底部设置冷铁，以增加铸件的冷却速度。

进一步的，为配合上法兰的弧形形状，顶冒口为弧形，从下至上，冒口的横截面积逐渐增大，使得冒口更有效的补缩上法兰。

进一步的，外壁上通孔热节部位连接至一个侧冒口，防止该部位产生疏松等缺陷。

进一步的，上型和型砂为树脂型砂，下型为粘土型砂。粘土型砂的退让性好，树脂砂与粘土砂型相比，强度高，在操作过程中不易变形，尺寸精度高，型面光洁，铸件表面质量高。

本发明还公开了一种通过内齿轮箱铸造结构的铸造方法，该方法先将第一包合金液从下直浇道浇注进入底层浇道，然后将第二包合金液从上层补充的上直浇道进入型腔；使液体金属平稳而又合理地充满铸件型腔，铸件凝固过程中建立良好的补缩条件，使之符合顺序凝固原则。

进一步的，设定浇注速度，不会过快或过慢，过快易使得合金液飞溅或卷气，过慢使得充型时发生冷隔、浇注足，使得形成的金属结构符合要求。

进一步的，设定浇注温度，避免铸件在铸造过程中产生冷隔、氧化夹渣和疏松缺陷。

【附图说明】

图1为本发明的铸件结构图；

其中，(a)图为俯视图；(b)图为剖视图；

图2为本发明的浇注结构与铸件的结构主视图；

图3为本发明的浇注结构与铸件的结构剖视图；

图4为底层浇道的横浇道截面；

图5为底层浇道的内浇道截面；

图6为补充浇道的横浇道截面；

图7为补充浇道的内浇道截面；

其中：1-冷铁；3-顶冒口；4-上层补充浇道；5-底层浇道；6-侧冒口；7-上安装边；8-外壁；9-下安装边；10-内壁；11-底层横浇道；12-底层内浇道；13-下直浇道；14-上层内浇道；15-上直浇道；16-第一通孔；17-装配部件；18-第二通孔；19-凸台；20-型腔。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种内齿轮箱铸造结构及铸造方法，针对的是铝合金双层壁结构内齿轮箱座，通过设定铸造型砂种类、浇注温度、浇注系统、激冷材料的设计，浇注过程的控制，获得组织均匀、冶金质量良好的铝合金双层壁结构内齿轮箱座铸件的砂型铸造工艺方法。通过该铸造工艺方法的实施，减少了铸件生产过程中的裂纹、疏松、夹渣等冶金缺陷，铸件的合格率提高了50％，降低了废品损失，节约了成本。

参见图1中的(a)图和(b)图，用于形成目标结构件的部分为型腔20，型腔20包括外壁8，外壁8为锥台状，外壁8的上端为上安装边7，外壁8的下端为下安装边9，外壁8的内部设置有同轴的内壁10，内壁10为桶状，内壁10的上端和外壁8的上端固定连接，所述内壁10和外壁8之间设置有第一通孔16和第二通孔18，第一通孔16的一端开口在外壁8上，另一端开口在内壁10上，第一通孔16的两个端面均为圆形；第二通孔18的外端面为圆形，第二通孔18在外端面上的截面面积小于第一通孔16在外端面上的截面面积，第二通孔18的内端面为矩形，矩形的上端为上安装边7，下端为下安装边9，矩形的侧壁上设置有凸台19，凸台19向矩形内部凸出；外壁8上固定设置有装配部件17，该目标结构件的上安装边7和下安装边9的厚度相同。

参加图2和图3，所述下安装边9的底部沿其周向固定设置有一圈冷铁1，冷铁1沿其周向，按照长度均匀的分为4块，每块之间的间隙为3～5mm，冷铁1的材料采用灰铸铁，厚度取铸件下安装边9厚度的0.8～1.0倍。

参见图2、图4和图5，根据目标结构件的结构，所述铸造结构包括圆形的冷铁1和底层浇道5，下安装边9和底层浇道5连通，所述底层浇道5包括底层横浇道11和底层内浇道12；底层横浇道11为不完整的环状浇道，底层横浇道11和下安装边9同圆心，底层横浇道11的半径大于下安装边9的半径，因为底层横浇道11为不完整的环状浇道，因此没有完全的围绕下安装边9，底层横浇道11和下安装边9之间设置有M个底层内浇道12，M大于等于2，M优选为6个，每一个底层内浇道12的轴线均为下安装边9的径向方向；参见图4和图5，所述图4为底层横浇道11的截面示意图，两个侧边上端的倒角R3均为5°，底层横浇道11上端的宽度小于下端的宽度；图5为底层内浇道12的示意图，底层内浇道12的每一个侧壁和竖直方向的夹角均为5°，便于拔模，底层内浇道12上端的宽度小于下端的宽度。

底层横浇道11的高度高于底层内浇道12的高度，底层横浇道11下端的宽度小于底层内浇道12下端的宽度，底层横浇道11上端的宽度小于底层内浇道12上端的宽度。底层横浇道11沿其周向的中心处设置有一个下直浇道13，下直浇道13的垂直于底层横浇道11，下直浇道13的横截面为圆形。

参见图3、图6和图7，上安装边7的上端围绕其周向，设置有三个上层补充浇道4，三个上层补充浇道4围绕上安装边7的周向等分设置，三个上层补充浇道4的轴线为上安装边7的径向；每一个上层补充浇道4的内端连接至上直浇道15的下端，上直浇道15和外壁8同轴线，上直浇道15设置在外壁8的上端面中心的上端，每一个上层补充浇道4的外端分别和一个上层内浇道14连通，每一上层内浇道14的外端和一个弧形的顶冒口3的下端连接，顶冒口3的横截面为弧形，顶冒口3上端的横截面积大于下端的横截面积，每一个顶冒口3的横截面从上到下逐渐缩小，直至顶冒口3的下端和上层补充浇道4的外端连通；参见图6为上层补充浇道4的横截面，上层补充浇道4两个侧壁的上端均进行倒角，角度为5°；图7为上层内浇道14的横截面，上层内浇道14的每一个侧壁和竖直方向的夹角均为5°，便于拔模。所述上层内浇道14的下端和上层补充浇道4下端的宽度相同，上层内浇道14的上端宽度大于上层补充浇道4上端的宽度；上层内浇道14的高度低于上层补充浇道4的高度；上直浇道15为补充直浇道。

所述外壁8的侧面连通有若干个侧冒口6，所述侧冒口6的横截面为圆形。优选的，第一通孔16的外端面、第二通孔18的外端面分别连通至一个侧冒口6的底部，装配部件17的上端面连通至一个侧冒口6的底部。

为满足铸件凝固过程中建立良好的补缩条件，以及金属液平稳充型原则，采用底注式浇注系统，在铸件法兰边上设置6处内浇道进行充型，下部法兰边放置圆形冷铁1，上部设置三处弧形顶冒口3、三处圆形侧冒口6。改进后的浇注系统结构如图2和图3所示，是在铸件冒口根部增加图2部位4的上层补充浇道4，用于补充浇注，在浇注后期，通过上直浇道15和上层补充浇道4直接对三处顶冒口3浇注金属液，避免了冒口内金属液在充型过程中热量散失，增强冒口补缩能力，有利的调整铸件凝固时的温度梯度，同时改善了铸件底部局部过热现象。

本发明通过上述的浇注系统，使液体金属平稳而又合理地充满铸件型腔20，对保证铸件质量起着很重要的作用。在设计浇注系统时，为使铸件凝固过程中建立良好的补缩条件，使之符合顺序凝固原则，采用底注式浇注系统，上部设置顶冒口3，冒口根部增加补充浇道，其作用是调整铸件凝固时的温度梯度，增加冒口的补缩作用，同时改善了局部过热现象。

浇注系统的型砂材料是铸造生产中造型、制芯及合箱浇注过程中所使用的原辅材料，对保证铸件质量、减少铸件裂纹、夹渣等缺陷起着重要作用。本发明选用粘土型砂是最常用的造型材料，其特点是退让性好。树脂砂与粘土砂型相比，强度高，在操作过程中不易变形，尺寸精度高，型面光洁，铸件表面质量高。根据铸件的结构，为保证铸件形状尺寸，上型和砂芯选用树脂砂，为防止下型铸件法兰边产生裂纹，下型选用粘土型砂。

浇注温度的设计：浇注温度是铸造过程中非常关键的工艺参数，设计合理的浇注温度，可以避免铸件铸造过程中产生冷隔、氧化夹渣和疏松缺陷。铸件的浇注温度取决于铸件截面大小和合金凝固温度范围，该合金液的熔化温度范围为545～642℃，浇注温度范围为700～760℃，根据经验，选定铸件浇注温度为740～750℃。

浇注过程的控制，普通的浇注过程是金属液从下直浇道13进入，经过横浇道、内浇道进入型腔，直至金属液凝固。通过本发明的结构浇注过程为，浇注时先用第一包合金液从下直浇道13进入浇注系统，第一包合金液经由均匀分布的底层横浇道11进入底层内浇道12中，从整个浇注结构的下部充填型腔，浇注速度为60cc/s-100cc/s，合金液经由底层横浇道11在整个浇注结构内逐渐上升，途径第一通孔16、第二通孔18和装配部件17时，填充这三处至各自对应的侧冒口6，侧冒口6能够在铸件凝固过程中对其下端的热节部位进行补缩；再待合金液上升至顶冒口3的根部，也即上安装边7处，再用第二包合金液以40cc/s-60cc/s的速度从上直浇道15的顶部浇注至型腔内，第二包合金液填充型腔的同时经由上层补充内浇道4和上层内浇道14至三个顶冒口3，使得能够调整铸件凝固时的温度梯度，增加三个顶冒口3的补缩作用，同时改善了局部过热现象。

本发明是通过砂型铸造工艺参数的设计，尤其是型砂种类、浇注温度、浇注系统、激冷材料的设计，浇注过程的控制，获得组织均匀、冶金质量良好的铝合金双层壁结构内齿轮箱座铸件的砂型铸造工艺方法。通过该铸造工艺方法的实施，减少了铸件生产过程中的裂纹、疏松、夹渣等冶金缺陷，铸件的合格率提高了50％，降低了废品损失，节约了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，包括底层浇道(5)和若干个上层补充浇道(4)，底层浇道(5)和上层补充浇道(4)均连通至型腔(20)；底层浇道(5)围绕型腔(20)的下端设置，底层浇道(5)的内侧和型腔(20)的下端连通，底层浇道(5)外侧连通至下直浇道(13)；所述型腔(20)上端面的中心处设置有上直浇道(15)，上直浇道(15)垂直于型腔(20)上端面；所述上层补充浇道(4)设置在型腔(20)的上部，若干个上层补充浇道(4)围绕上直浇道(15)等分布置；每一个上层补充浇道(4)的外端连通至一个顶冒口(3)；上直浇道(15)的下端、上层补充浇道(4)的内端及型腔(20)在一点连通。

2.根据权利要求1所述的一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，所述底层浇道(5)包括底层横浇道(11)和底层内浇道(12)，所述底层横浇道(11)为设置有缺口的环形，底层横浇道(11)围绕型腔(20)的下端，底层横浇道(11)和型腔(20)的下端同圆心；底层内浇道(12)设置有M个，M≥2；每一个底层内浇道(12)的内端和型腔(20)的下端连通，外端和底层横浇道(11)连通，底层横浇道(11)和下直浇道(13)的下端连通；底层横浇道(11)的高度高于底层内浇道(12)的高度。

3.根据权利要求2所述的一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，M为6，6个底层内浇道(12)沿底层横浇道(11)的周向等分布置，每一个底层内浇道(12)的轴线为底层横浇道(11)的径向方向。

4.根据权利要求1所述的一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，型腔(20)的下断面围绕其周向固定设置有冷铁(1)；冷铁(1)沿其周向等分为4块，相邻冷铁(1)之间的间隙为3～5mm；冷铁(1)的厚度为下安装边(9)厚度的0.8～1.0倍。

5.根据权利要求1所述的一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，所述顶冒口(3)的横截面为弧形，顶冒口(3)上端的横截面积大于其下端的横截面积。

6.根据权利要求1所述的一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，上安装边(7)和下安装边(9)之间为内齿轮箱的外壁(8)，外壁(8)连通有若干个侧冒口(6)。

7.根据权利要求1所述的一种内齿轮箱铸造结构，其特征在于，所述铸造结构的上型和砂芯选用树脂型砂，下型选用粘土型砂。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的内齿轮箱铸造结构的铸造方法，其特征在于，浇注时，第一包合金液从下直浇道(13)注入底层浇道(5)，从底层浇道(5)进入型腔(20)，合金液在型腔(20)内上升并填充型腔(20)，待合金液上升至型腔(20)的上端面时，将第二包合金液从上直浇道(15)注入上层补充浇道(4)中，合金液流入顶冒口(3)中。

9.根据权利要求8所述的内齿轮箱的铸造方法，其特征在于，第一包合金液的浇注速度为60cc/s-100cc/s；第二包合金液的浇注速度为40cc/s-60cc/s。

10.根据权利要求8所述的内齿轮箱的铸造方法，其特征在于，浇注温度为740～750℃。

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