本發(fā)明涉及鑄造工藝技術領域，特別涉及一種環(huán)形薄壁灰鑄鐵件澆冒口系統(tǒng)及其設計方法。該澆冒口系統(tǒng)應用在生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上，能夠大幅提高環(huán)形薄壁灰鑄鐵件在DISA線上的工藝出品率，并能消除其當前生產條件下所頻繁出現的鑄件缺陷的問題。

背景技術：

鑄鐵件經常會發(fā)生各種不同的鑄造缺陷，特別是一些薄壁件，薄壁部位糊狀同時凝固傾向大，鑄件頂部冒口的補縮通道極易被這些區(qū)域所阻斷，因此縮松、縮孔是這類鑄件經常會出現的鑄造缺陷?？s松缺陷是一種重要的鑄造缺陷。由于降低了承載面的面積，它的存在會嚴重削弱鑄件的強度和硬度。如何防止這些缺陷產生一直是鑄件生產廠關注的問題。在盡可能減少缺陷的基礎上，如何提高工藝出品率、降低廢品率也是鑄件生產廠急需解決的問題。

現有的此類環(huán)形灰鑄鐵件采用的冒口和澆注系統(tǒng)是根據丹麥DISA公司的DISA線設計說明書中的方法設計出來的。DISA生產線采用壓縮空氣擠壓造型，砂型緊實度好，生產效率高，適于生產結構中等復雜，精確度要求高的球鐵和灰鐵鑄件。因此DISA線是現在鑄造企業(yè)生產大批量小型鑄件的常用設備。但是DISA線設備限定鑄造工藝只能垂直分型，且只有一個分型面，澆口位置固定在一個小范圍內。DISA線設備的特點決定了其鑄造工藝的特殊性。

當前采用DISA線的鑄造企業(yè)一般是按照DISA公司給出的設計方法進行澆注系統(tǒng)設計，采用類似鑄鐵冒口設計經驗方法設計冒口，缺乏嚴格的科學性，如圖3所示，顯示了現有技術中生產此類鑄件的鑄造工藝圖，可以看出當前DISA線上生產此類鑄件所采用的澆注系統(tǒng)和冒口有以下缺點：一、冒口被放置在鑄件的斜上方，會引起鑄件上方補縮壓減小，容易導致補縮不足；二、澆注系統(tǒng)采用底注式，并且設置了兩個內澆道，在此種工藝下澆鑄的鑄件易在兩個內澆道的中間部位產生裂紋，從而導致廢品率升高；三、在直澆道的設計上，設計者為了使從澆口杯進入的金屬液有一個緩沖，在直澆道上及直澆道和橫澆道連接處均設計了很大的緩沖區(qū)域，這兩個緩沖區(qū)域在凝固過程中會源源不斷地向周圍散熱，使鑄件的某些區(qū)域產生熱節(jié)，最終產生縮松縮孔等缺陷。由于此類環(huán)形灰鑄鐵件壁厚較薄，環(huán)形薄壁上還分布著一些小的凸起，這些小的凸起在凝固工程中會成為鑄件的熱節(jié)，而薄壁部位優(yōu)先凝固會切斷熱節(jié)的補縮通道，凝固完成后這些小突起部位就會形成縮松；四、大冒口和粗大的澆道造成了工藝出品率降低，且無法解決產生縮松的根本問題。

技術實現要素：

針對DISA線上現有條件下生產的環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的缺陷，本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種新的應用于DISA線的環(huán)形薄壁灰鑄鐵件澆冒口系統(tǒng)及其設計方法。該澆冒口系統(tǒng)可以有效避免上述缺陷，并能顯著提高其工藝出品率。

本發(fā)明解決所述技術問題采用的技術方案是：

一種生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，包括冒口和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)采取底注式，包括內澆道、直澆道和橫澆道，每個型板中布置兩個鑄件，兩個鑄件以直澆道為軸對稱布置，在每個鑄件的正下方均設置內澆道，其特征在于每個鑄件的正下方內澆道的數量為一個，在直澆道和橫澆道的連接處設置第一緩沖區(qū)域；兩個內澆道分別與兩個橫澆道聯(lián)通，在每個橫澆道遠離第一緩沖區(qū)域的一端設置第二緩沖區(qū)域；在每個鑄件的正上方均設置有冒口。

上述的生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，所述冒口形狀為圓柱形無冒口窩冒口。

上述的生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，橫澆道的截面積是內澆道截面積的1.2倍，直澆道的截面積在兩個橫澆道截面積之和的基礎上加大30％。

上述的生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，所述內澆道的截面形狀為矩形，橫澆道和直澆道的截面形狀均為梯形。

一種上述的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的設計方法，在冒口設計時，將灰鑄鐵的石墨化膨脹考慮進去，采用均衡凝固理論計算出冒口大小及形狀；在澆注系統(tǒng)設計時，首先將采用均衡凝固理論計算出的單個冒口質量與相應鑄件的質量進行加和，然后根據恒壓等流量工藝設計方法分別計算出內澆道、橫澆道及直澆道的截面積，再經過模擬軟件調試出各澆道的最佳截面形狀和尺寸。

上述生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的設計方法，該方法的步驟是：

第一步、鑄造工藝裝備的選擇

針對環(huán)形薄壁灰鑄鐵件自身特點及DISA線生產條件，選擇砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統(tǒng)均設置在分型面上；

第二步、冒口設計

1)鑄件基本參數設置及基本量的計算

已知鑄件材質為HT250，鑄件體積為V_C，鑄件表面積為S_C，鑄件密度為ρ，鑄件高度為h；

根據質量計算公式計算出鑄件的質量m_C＝ρ·V_C；

根據幾何模數的定義計算出鑄件的幾何模數：

2)計算質量周界商、灰鑄鐵件收縮時間分數、收縮模數因數

質量周界商：

灰鑄鐵件收縮時間分數：

收縮模數因數：

3)計算鑄件的收縮模數：M_S＝f₂·M_C；

4)確定冒口位置

將冒口位置設置在每個鑄件的正上方，根據均衡凝固理論，利用公式：計算得到冒口位置距離鑄件邊緣的距離δ，進而確定冒口位置；

5)計算冒口模數并確定出冒口形狀和尺寸

計算冒口模數：M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃；

其中f₁是冒口平衡因數，f₁的取值為1.3；f₃為冒口壓力因數，f₃與鑄件的質量周界商有關，具體數值根據步驟2)得到的質量周界商Q_m查表獲得；

根據上述冒口模數，取圓柱形無冒口窩冒口，根據經驗確定冒口的H/D＝1.2，進而通過冒口模數和H/D查表可得冒口尺寸；

6)計算冒口頸模數并確定出冒口頸形狀和尺寸

計算冒口頸模數：M_n＝M_C·f_P·f₂·f₄，選取長方體冒口頸，

其中，f₄為冒口頸長度因數，f₄取值為0.8；f_P是流通效應因數，f_P取值為0.5；

冒口頸厚度：e＝(2～2.5)M_n，

冒口頸寬度：W≥5e，

冒口頸長度：l＜＝3e，

依照冒口頸“短、薄、寬”的原則來確定出冒口頸尺寸；

第三步、澆注系統(tǒng)設計

1)澆口杯設計

根據單個鑄件和冒口的質量之和及工藝出品率的要求，選取相應的澆口杯，并采用自動造型；

2)澆道設計

采用恒壓等流量工藝設計方法計算內澆道截面積S₁：

其中，G為流經內澆道截面積的金屬液質量；μ為流量系數，μ取值為0.35；τ為金屬液流經截面積的時間；g為重力加速度；H_P為實際壓頭，即澆口杯頂點距離內澆道之間的高度；

每個橫澆道截面積S₂為相應內澆道截面積S₁的1.2倍，橫澆道截面積S₂為：S₂＝1.2S₁；

直澆道的截面積S₃比兩個橫澆道截面積S₂的加和大30％，直澆道截面積S₃＝2*S₂*(1+30％)；

經過模擬軟件調試確定內澆道截面形狀為矩形，橫澆道截面形狀為等腰梯形，直澆道截面形狀為等腰梯形，至此完成澆注系統(tǒng)的設計。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明突出的實質性特點為：

(1)原有的澆注系統(tǒng)采用底注式，有兩個內澆道，本發(fā)明將兩個內澆道改為單一內澆道，可以有效地改善在雙內澆道工藝下鑄件在中間接頭處產生的的裂紋，得到品質更加優(yōu)良的鑄件。

(2)現有澆冒口系統(tǒng)中將冒口位置設在鑄件的斜上方，本發(fā)明將冒口設置在鑄件的正上方，并且在設計冒口時，充分考慮石墨化膨脹，采用均衡凝固理論設計冒口，大大減小了冒口體積，不僅使原有的縮松缺陷完全消失，還提高了工藝出品率。

(3)采用恒壓等流量工藝設計方法設計澆注系統(tǒng)，減小了澆道的截面積，將原有澆注系統(tǒng)上起緩沖作用的大區(qū)域去掉，在直澆道和橫澆道連接位置及橫澆道遠離直澆道的一端分別設置較小的緩沖區(qū)，提高了工藝出品率，消除了鑄件原有的熱結，消除了縮松缺陷。

(4)冒口設計和澆注系統(tǒng)的設計方法相互配合，通過模擬軟件反復模擬，使用本發(fā)明的澆冒口系統(tǒng)得到的鑄件無縮松現象，工藝出品率高。

本發(fā)明的顯著進步是：

(1)在原有DISA線澆注系統(tǒng)和冒口的基礎上，充分考慮石墨化膨脹，大大減小了冒口和澆注系統(tǒng)的尺寸，使工藝出品率提高15％-25％；

(2)原有澆冒口系統(tǒng)中由于熱節(jié)部位的存在會使鑄件產生縮松，采用本發(fā)明澆冒口系統(tǒng)的設計方法設計冒口和澆注系統(tǒng)，能夠有效減小澆注系統(tǒng)和冒口的尺寸，使整個鑄件均勻快速地完成凝固過程，縮松缺陷完全消失。

附圖說明

圖1為本發(fā)明生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的型板布局圖；

圖2為本發(fā)明生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的各澆道截面形狀示意圖，其中圖2(a)為內澆道的截面形狀，圖2(b)為直澆道的截面形狀，圖2(c)為橫澆道的截面形狀；

圖3為原澆冒口系統(tǒng)的型板布局圖及對應的縮松縮孔示意圖；其中圖3(a)為原澆冒口系統(tǒng)的型板布局圖，圖3(b)為原澆冒口系統(tǒng)下產生鑄件的對應的縮松示意圖；圖3(c)為原澆冒口系統(tǒng)下產生的對應的縮孔示意圖；

圖4為本發(fā)明澆冒口系統(tǒng)下產生鑄件的對應的縮松縮孔示意圖；其中圖4(a)為本發(fā)明澆冒口系統(tǒng)下產生鑄件的對應的縮松示意圖；圖4(b)為本發(fā)明澆冒口系統(tǒng)下產生鑄件的對應的縮孔示意圖；

圖中，1鑄件，2冒口，3內澆道，4直澆道，5橫澆道，6第一緩沖區(qū)域，7第二緩沖區(qū)域。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖進一步敘述本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本發(fā)明生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)(簡稱澆冒口系統(tǒng)，參見圖1)，該澆冒口系統(tǒng)包括冒口和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)采取底注式，包括單一內澆道3、直澆道4和橫澆道5，在直澆道4和橫澆道5的連接處設置第一緩沖區(qū)域6；每個型板中布置兩個鑄件1，兩個鑄件1以直澆道4為軸對稱布置，在每個鑄件的正下方均設置內澆道3，兩個內澆道3分別與兩個橫澆道5聯(lián)通，在每個橫澆道5遠離第一緩沖區(qū)域6的一端設置第二緩沖區(qū)域7；在每個鑄件的正上方均設置有冒口2。

所述冒口2設計時將灰鑄鐵的石墨化膨脹考慮進去，采用均衡凝固理論計算冒口大小，并選取冒口形狀為圓柱形無冒口窩冒口；所述內澆道3的截面面積采用恒壓等流量工藝設計方法進行計算，截面形狀為矩形；橫澆道5的截面積是內澆道截面積的1.2倍，截面形狀為梯形，直澆道6的截面積在兩個橫澆道截面積之和的基礎上加大30％，截面形狀為梯形。

本發(fā)明中所述截面均是指相應澆道的橫截面。

本發(fā)明澆冒口系統(tǒng)的設計方法是：

第一步、鑄造工藝裝備的選擇

針對環(huán)形薄壁灰鑄鐵件(簡稱鑄件)自身特點及DISA線生產條件，選擇砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統(tǒng)均設置在分型面上；

第二步、冒口設計

1)鑄件基本參數設置及基本量的計算

已知鑄件材質為HT250，鑄件體積為V_C，鑄件表面積為S_C，鑄件密度為ρ，鑄件高度為h；

根據質量計算公式計算出鑄件的質量m_C＝ρ·V_C；

根據幾何模數的定義計算出鑄件的幾何模數：

2)計算質量周界商、灰鑄鐵件收縮時間分數、收縮模數因數

質量周界商：

灰鑄鐵件收縮時間分數：

收縮模數因數：

3)計算鑄件的收縮模數：M_S＝f₂·M_C；

4)確定冒口位置

將冒口位置設置在每個鑄件的正上方，根據均衡凝固理論，冒口的位置應偏離熱節(jié)部位，但又不能距離太遠；利用公式：將鑄件高度h代入，計算得到冒口位置距離鑄件邊緣的距離δ，進而確定冒口位置；

5)計算冒口模數并確定出冒口形狀和尺寸

計算冒口模數：M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃；

其中f₁是冒口平衡因數，f₁的取值為1.3；f₃為冒口壓力因數，f₃與鑄件的質量周界商有關，具體數值根據步驟2)得到的質量周界商Q_m查表獲得；

根據上述冒口模數，取圓柱形無冒口窩冒口，由于冒口只是起補縮作用，根據經驗確定冒口的H/D＝1.2，進而通過冒口模數和H/D查表可得冒口尺寸；

6)計算冒口頸模數并確定出冒口頸形狀和尺寸

計算冒口頸模數：M_n＝M_C·f_P·f₂·f₄，選取長方體冒口頸，

其中，f₄為冒口頸長度因數，f₄取值為0.8；f_P是流通效應因數，f_P取值為0.5；

冒口頸厚度：e＝(2～2.5)M_n，

冒口頸寬度：W≥5e，

冒口頸長度：l＜＝3e，

依照冒口頸“短、薄、寬”的原則來確定出冒口頸尺寸；

第三步、澆注系統(tǒng)設計

1)澆口杯設計

根據單個鑄件和冒口的質量之和及工藝出品率的要求，選取相應的澆口杯，并采用自動造型；

2)澆道設計

采用恒壓等流量工藝設計方法計算內澆道截面積S₁：

其中，G為流經內澆道截面積的金屬液質量，本發(fā)明中即為一個冒口和一個鑄件所占金屬液的質量之和；μ為流量系數，μ取值為0.35；τ為金屬液流經截面積的時間，根據鑄件凝固時間等因素確定；g為重力加速度；H_P為實際壓頭，即澆口杯頂點距離內澆道之間的高度。

每個橫澆道截面積S₂為相應內澆道截面積S₁的1.2倍，橫澆道截面積S₂：S₂＝1.2S₁；

直澆道的截面積S₃比兩個橫澆道截面積S₂的加和大30％，直澆道截面積S₃＝2*S₂*(1+30％)；

經過調試最終確定內澆道截面最佳形狀為矩形，橫澆道截面形狀為等腰梯形，直澆道截面形狀為等腰梯形，各截面尺寸根據上述公式進行計算，至此完成澆注系統(tǒng)的設計。

實施例1

本實施例生產環(huán)形薄壁灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)包括冒口和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)采取底注式，包括單一內澆道3、直澆道4和橫澆道5，在直澆道4和橫澆道5的連接處設置第一緩沖區(qū)域6；每個型板中布置兩個鑄件1，兩個鑄件1以直澆道4為軸對稱布置，在每個鑄件的正下方均設置內澆道3，兩個內澆道3分別與兩個橫澆道5聯(lián)通，在每個橫澆道5遠離第一緩沖區(qū)域6的一端設置第二緩沖區(qū)域7；在每個鑄件的正上方均設置有冒口2，所述冒口2設計時將灰鑄鐵的石墨化膨脹考慮進去，采用均衡凝固理論計算冒口大小，并選取冒口形狀為圓柱形無冒口窩冒口；所述內澆道3的截面面積采用恒壓等流量工藝設計方法進行計算，截面形狀為矩形；橫澆道5的截面積是內澆道截面積的1.2倍，截面形狀為梯形，直澆道6的截面積在兩個橫澆道截面積之和的基礎上加大30％，截面形狀為梯形。

本實施例鑄件的基本參數為：鑄件材質為HT250，鑄件體積V_C＝344185.8763mm³，鑄件表面積S_C＝69874.7043mm²，鑄件密度ρ＝6.45*10^-6kg/mm³，

該澆冒口系統(tǒng)的具體設計步驟如下：

第一步、鑄造工藝裝備的選擇

本實施例中選取的是某小型機械用轉盤，屬于環(huán)形薄壁灰鑄鐵件，并且生產線為DISA線，砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統(tǒng)均設置在分型面上；

第二步、冒口設計

1)鑄件基本參數設置及基本量的計算

鑄件材質為：HT250，鑄件體積：V_C＝344185.8763mm³，鑄件表面積：S_C＝69874.7043mm²，鑄件密度：ρ＝6.45*10^-6kg/mm³，鑄件高度h＝263mm；

根據質量計算公式計算出鑄件的質量：m_C＝ρ·V_C＝6.45*10^-6*344185.8763＝2.22kg；

根據幾何模數的定義計算出鑄件的幾何模數：

2)計算質量周界商、灰鑄鐵件收縮時間分數、收縮模數因數、灰鑄鐵件補縮率質量周界商：

灰鑄鐵件收縮時間分數：

收縮模數因數:

3)計算鑄件的收縮模數

M_S＝f₂·M_C＝0.8*0.493＝0.394cm

4)確定冒口位置

將冒口位置設置在每個鑄件的正上方，根據均衡凝固原理的理論，冒口的位置應偏離熱節(jié)部位，但又不能距離太遠，利用公式：將鑄件高度h＝263mm代入可得δ＝4mm，即冒口位置距離鑄件邊緣為4mm。

5)計算冒口模數并確定出冒口形狀和尺寸

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

其中f₁是冒口平衡因數，取f₁＝1.3；f₃為冒口壓力因數，根據Q_m＝18.53kg/mm³查表可得：f₃＝1.4。

選取圓柱形無冒口窩冒口，根據經驗確定H/D＝1.2，又由于M_r＝0.718cm，查表可得冒口尺寸為Φ45mm×54mm。

6)計算冒口頸模數并確定出冒口頸形狀和尺寸

冒口頸模數：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

冒口頸厚度：e＝(2～2.5)M_n≈3.2～4.0mm，取e為4mm；

冒口頸寬度：W≥5e＝20mm；

冒口頸長度：l＜＝3e＝12mm；

依照冒口頸“短、薄、寬”的原則以及冒口位置δ，取冒口頸尺寸為4mm×20mm×5mm。

第三步、澆注系統(tǒng)設計

1)澆口杯設計

每件鑄件和冒口質量之和為G，G＝2.375kg，每型兩件，暫定工藝出品率為65％，采用自動造型，選擇1號澆口杯。

2)澆道設計

采用恒壓等流量工藝設計方法,計算內澆道截面積S₁：

其中，G為鑄件和冒口質量之和；

μ為流量系數，取值為0.35；

ρ為鑄件材料的密度，其值為6.45*10^-3g/mm³；

τ為金屬液流經內澆道截面積的時間，根據鑄件凝固時間等因素確定，取值為1；

g為重力加速度；

H_P為實際壓頭，即澆口杯定點距離內澆道之間的高度，取值為350mm。

橫澆道截面積S₂為內澆道截面積S₁的1.2倍，橫澆道截面積：

S₂＝1.2S₁＝1.2*402＝482mm²，

直澆道的截面積S₃比兩個橫澆道面積的加和大30％，直澆道截面積：

S₃＝1.3*2*S₂＝1.3*2*482＝1254mm²，

經過調試最終確定內澆道截面形狀為矩形，內澆道截面面積為402mm²；橫澆道截面形狀為梯形，截面面積為482mm²；直澆道截面形狀為梯形，截面面積為1254mm²；各截面形狀及尺寸如圖2所示，至此完成澆注系統(tǒng)的設計。

根據上述設計得到的冒口及澆注系統(tǒng)，布置型板布局為一型2件，如圖1所示。

應用本實施例設計好的澆冒口系統(tǒng)，采用用數值模擬軟件進行模擬，結果如圖3和圖4所示，可以看出在原有澆冒口系統(tǒng)對應的工藝下容易產生縮松的部位在本實施例的澆冒口系統(tǒng)工藝下完全消失了，即本實施例獲得的鑄件無任何縮松缺陷產生。通過計算，本實施例鑄件的工藝生產率由原來的43.1％升高為62％，其工藝出品率顯著提高。

本發(fā)明未述及之處適用于現有技術。