DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件的澆冒口系統及其設計方法與流程

本發明屬于灰鑄鐵鑄件工藝技術領域，具體涉及DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件的澆冒口系統及其設計方法。該澆冒口系統及設計方法能夠大幅提高灰鑄鐵輪轂鑄件的工藝出品率，并能消除當前生產現場鑄造工藝所頻繁出現的鑄件缺陷。

背景技術：

用鑄造方法生產金屬構件是最為常用的工業方法之一，其中鑄鐵鑄件占鑄件總產量的一半以上。現代鑄造業普遍采用自動化生產線生產鑄件，其中DISA生產線是用于大批量生產小型鑄鐵件的常用設備。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。

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。DISA線鑄造工藝的特點是鑄件分層排布，為了保證鑄件質量的均一性和穩定性，要求充型時各層鑄件同時充滿；為了提高生產效率，要求澆注系統和冒口系統緊湊排列，所以鑄造廠往往把冒口與澆注系統融合在一起設計。

當前采用DISA線的鑄造企業一般是按照DISA公司給出的設計方法進行澆注系統設計，采用類似鑄鋼冒口設計經驗方法(鑄鋼件的模數法)設計冒口，忽略石墨化膨脹，且占用澆注系統部分作為側冒口,設計非常粗糙，補縮效果差，缺乏嚴格的科學性，因此生產出的鑄件常常出現縮松缺陷；且現有工藝的澆注系統采用節流技術設計澆注系統，澆注系統尺寸偏大；工藝出品率很低，存在縮松缺陷。本發明所研究的輪轂類鑄件是工業上大量使用的一種灰鑄鐵鑄件，該灰鑄鐵輪轂鑄件屬于家電內部的小型零件，為提高生產效率以及保證各批次規格均一，該灰鑄鐵輪轂鑄件采用DISA生產線生產。在通過現有的DISA線澆冒口系統進行生產時會存在工藝出品率偏低(51.8％)，且容易出現縮松缺陷，廢品率高達15.5％的缺點。

技術實現要素：

針對DISA生產線上垂直分型的灰鑄鐵輪轂類鑄件現有工藝出品率低，鑄件中心有縮松的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件的澆冒口系統及其設計方法。該澆冒口系統針對該灰鑄鐵輪轂類鑄件而設計，冒口與澆注系統分離，每個鑄件配備單一冒口補縮，各鑄件上冒口形狀大小相同，便于實際操作，且適合DISA線自動規模生產，能消除當前的縮松缺陷，提高了該輪轂類鑄件的鑄造質量，鑄造工藝出品率提高了18％-22％。該設計方法采用均衡凝固理論設計冒口，根據輪轂鑄件形狀及大小特征，設計新的型板布局，采用等壓等流量技術設計澆注系統，設計方法簡單可靠，設計好的澆冒口系統更適于實際應用。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是：

一種DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件的澆冒口系統，包括冒口和澆注系統，所述澆注系統包括直澆道、內澆道和橫澆道，橫澆道中垂線的兩側對稱設有兩個直澆道，每型八個鑄件，每個鑄件通過相應的內澆道與直澆道相聯通，其特征在于八個鑄件按照上、中、下分三層布置，且以橫澆道中垂線為軸分為左右兩側，左側上層和中層各布置一個鑄件，下層布置兩個鑄件，右側上層布置兩個鑄件，中層和下層各布置一個鑄件，每個直澆道均為折線形狀，在直澆道的末端設置緩沖區域，內澆道截面形狀為矩形，每層直澆道的截面積是位于該層及該層以下內澆道總截面積的1.2倍，相應側的橫澆道的截面積是該側內澆道總截面積的1.5倍，直澆道和橫澆道的形狀都為等腰梯形；所述冒口均單獨設置在每個鑄件的正頂端。

上述DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件的澆冒口系統的設計方法，該方法根據均衡凝固理論設計冒口，并考慮灰鑄鐵石墨化膨脹影響，設計冒口形狀大小和放置位置；再依據“短、薄、寬”的原則以及冒口位置選取冒口頸尺寸；結合實際生產中一型八件的要求，根據等壓等流量工藝設計方法，計算澆注系統不同分層的實際壓頭大小，然后代入奧贊公式中分別得到上、中、下層內澆道的截面積，橫澆道與直澆道的截面積由內澆道的截面積按權利要求1中的倍數關系得出，最后經過數值模擬優化得到所述的澆冒口系統。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明突出的實質性特點是：

1)采用均衡凝固理論，結合灰鐵鑄件數值模擬技術進行新的冒口設計，將原有融合側冒口改變為獨立單一冒口；

2)針對本申請中在DISA線上生產的輪轂類鑄件，僅采用均衡凝固理論無法完全同時兼顧補縮到鑄件中的兩處熱節，本申請通過提高灰鑄鐵中的石墨化膨脹因素實現自補縮，實現無縮松缺陷的目的；

3)根據輪轂鑄件形狀及大小特征，設計新的型板布局，采用等壓等流量技術，在各層內澆道之間的直澆道中設置阻流截面，調節截面比，結合數值模擬流場技術得到優化后的新澆注系統。

本發明的顯著進步是：

1)在消除原鑄造工藝縮松缺陷的情況下，冒口及澆注系統尺寸大為減少，使得工藝出品率由原來的51.8％提高到70.6％；2)原鑄造工藝將冒口和澆注系統合為一體進行設計計算，無法同時兼顧二者的技術要求，設計計算主要依賴經驗，雖然經過反復實驗調整，仍然無法消除鑄件中心的縮松缺陷，工藝出品率也很低；而本發明的澆冒口系統的設計計算方法明確、清晰、精確度高，且通過數值模擬技術進行評估和優化，大大提高了設計的科學性和可靠性；3)澆注系統采用等壓等流量原理設計，冒口與澆注系統分離，工藝設計較為簡單，各冒口形狀結構相同，便于實際操作，適合DISA自動規模生產，防止了各個鑄件質量差異；4)根據本發明設計方法，重新排布了鑄件，提高了澆冒口系統中的空間利用率。

附圖說明

圖1本發明DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件的澆冒口系統的結構示意圖；

圖2本發明中DISA線上的工藝型板布局圖；

圖3現有技術中DISA線上的工藝型板布局圖；

圖4本發明方法對鑄件進行結構分體劃分的分體示意圖；

圖5現有技術和本發明數值模擬結果示意圖；其中圖5(a)現有技術的數值模擬下的縮松缺陷圖；圖5(b)采用本發明澆冒口系統的數值模擬下的縮松缺陷圖；

圖中，1鑄件，2冒口，3直澆道，4內澆道，5緩沖區域，6橫澆道。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖進一步敘述本發明，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。采用技術方案中的方法對圖1中的鑄件進行冒口和澆注系統設計，并用數值模擬軟件進行模擬。

本發明DISA線上生產灰鑄鐵輪轂類鑄件(簡稱鑄件)的澆冒口系統(簡稱澆冒口系統，參見圖1)，包括冒口和澆注系統，所述澆注系統包括直澆道3、內澆道4和橫澆道6，橫澆道中垂線的兩側對稱設有兩個直澆道，每個鑄件通過相應的內澆道與直澆道3相聯通，每型八個鑄件1，分為上、中、下三層，上層和下層各布置三個鑄件，中層布置兩個鑄件，且以橫澆道中垂線為軸左右對稱，中垂線位置的上層和下層分別布置一個鑄件，每個直澆道3均為折線形狀，在直澆道3的末端設置緩沖區域5，內澆道截面積大小采用等壓等流量方法進行計算，截面形狀為矩形；其中每層直澆道的截面積是位于該層及該層以下內澆道總截面積的1.2倍，相應側的橫澆道6的截面積是該側內澆道總截面積的1.5倍(如本發明圖1中，左側上層直澆道截面積即為左側上、中、下層內澆道截面積之和，其中上層和中層分別有一個內澆道，下層有兩個內澆道；左側橫澆道的截面積即為左側上、中、下層內澆道截面積之和)；直澆道和橫澆道的形狀都為等腰梯形。

在每個鑄件的正頂端均設置有一個冒口2，利用均衡凝固理論設計冒口的大小，根據冒口模數大小選取冒口為圓柱形有冒口窩冒口，其中H/D＝1.1，對熱節部位進行分析以及結合DISA線特點確定冒口位置。

所述冒口為圓柱形有冒口窩的單一冒口。

本發明中所述截面均是指相應澆道的橫截面。

本發明澆冒口系統的設計方法是：根據均衡凝固理論設計冒口，并考慮灰鑄鐵石墨化膨脹影響，設計冒口形狀大小和放置位置，形狀大小部分通過計算鑄件模數，進而推導出冒口模數，再選取冒口尺寸和形狀，整個計算都采用均衡凝固計算公式；冒口位置選取首先將鑄件劃分為三個結構分體，分別計算這三個結構分體的模數和鑄件的收縮模數，分體模數比鑄件收縮模數大的部位為熱節，權衡考慮熱節分布以及DISA線垂直分型特征和操作的難易程度，最終確定將冒口位置安放在輪緣處，對于無法兼顧補縮的熱節通過提高石墨化膨脹實現自補縮，最后計算出冒口距離鑄件邊緣處的距離，依據“短、薄、寬”的原則以及冒口位置選取冒口頸尺寸；結合實際生產中一型八件的要求，設計出澆冒口系統和鑄件的型版布局，根據等壓等流量工藝設計方法，計算澆注系統不同分層的實際壓頭大小，然后代入奧贊公式中分別得到上、中、下層內澆道的截面積，橫澆道與直澆道的截面積由內澆道的截面積按上述的倍數關系(即每層直澆道的截面積是位于該層及該層以下內澆道總截面積的1.2倍，相應側的橫澆道6的截面積是該側內澆道總截面積的1.5倍；)得出，最后經過數值模擬優化得到所述的澆冒口系統。

具體步驟是：

第一步、鑄造設備

針對灰鑄鐵輪轂類鑄件自身特點及DISA線生產條件，選擇砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統均設置在分型面上；

第二步、冒口設計

1)對鑄件進行分析并劃分結構體(如圖4)

根據鑄件特征，灰鑄鐵輪轂鑄件劃分為輪轂、輪輻、輪緣三個結構分體(簡稱為分體)，分別標記為a、b和c，根據公式(1)分別計算三個結構分體和鑄件的模數，

其中，V為鑄件或各分體體積，S為鑄件或各分體表面積，M_a、M_b、M_c、M分別為輪轂、輪輻、輪緣和鑄件的模數；

2)計算質量周界商、灰鑄鐵件收縮時間分數、收縮模數因數

根據公式(2)計算鑄件質量周界商，

其中m為鑄件質量；

根據公式(3)計算灰鑄鐵收縮時間分數，

根據公式(4)計算收縮模數因數：

3)根據公式(5)計算冒口模數M_r，并確定出冒口形狀和尺寸

M_r＝f₁·f₂·f₃·M (5)，

其中，f₁為平衡因數，f₁≥1.2；f₃為壓力因數，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；取圓柱形有冒口窩冒口，其中冒口的H/D＝1.1。根據D＝6M_r算出D的大小，D為圓柱形冒口橫截面的直徑，H為冒口高度，至此冒口形狀和大小確定完成；

4)將步驟2)得到的收縮模數因數及步驟1)得到的鑄件模數帶入公式(6)，計算鑄件收縮模數

M_s＝f₂·M (6)；

5)確定冒口位置

由于該鑄件的生產方式用的DIAS線生產，唯一可以放冒口的地方就是在分型面上的鑄件頂端，所以該鑄件的冒口放在輪緣，鑄件的最上端，將鑄件高度h代入公式中，計算得到冒口距離鑄件邊緣的距離δ，進而確定冒口位置；

6)根據公式(7)計算冒口頸模數M_n，并確定冒口頸形狀和尺寸

M_n＝M·f_P·f₂·f₄ (7)

其中，f₄為冒口頸長度因數；f_P是流通效應因數，取值范圍為0.45～0.55；

冒口頸厚度為e＝(2～2.5)×M_n，冒口頸寬度為W≥5e，冒口頸長度為l＜＝3e；根據冒口頸“短、薄、寬”的原則，選取長方體冒口頸；

第三步、澆注系統設計

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

采用強封閉式的澆注系統，等壓等流量工藝設計方法將整個澆注系統分為三層，根據公式(8)計算每層內澆道的截面積

式中，i＝1,2,3，分別表示上層、中層、下層，(以下所有i均表示層數)；m為流經內澆道截面積的金屬液質量，本發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；ρ為鑄件材料的密度；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_i為實際壓頭，即澆口杯頂點與內澆道之間的高度，各層的實際壓頭根據公式(9)計算得到；

其中，ΔH_i為每一層的高度值，如圖1所示，ΔH₁＝H₁，為上層高度，ΔH₂＝H₂-H₁，為中層高度，ΔH₃＝H₃-H₂，為下層高度。根據不同層數選取不同參數值，μ為流量系數。本發明中μ_1直＝0.65，μ_2直＝0.63，μ_3直＝0.6分別為上、中、下三層直澆道的流量系數，三層內澆道的流量系數均相等，即μ_1內＝μ_2內＝μ_3內＝0.57。

k_i為各層有效截面積比例，根據公式(10)得到；

為使每個型腔同時充滿，澆口杯應足夠大，嚴格控制澆注時間，澆注速度與澆注時間的查經驗表格得到。根據每層直澆道的截面積是位于該層及該層以下內澆道總截面積的1.2倍，相應側的橫澆道6的截面積是該側內澆道總截面積的1.5倍，計算得到直澆道和橫澆道的截面積；例如圖1中左邊有四條內澆道，一條直澆道(上層直澆道的截面積等于上中下層內澆道總截面積的1.2倍，中層直澆道的截面積等于中下層內澆道總截面積的1.2倍，左側橫澆道截面積是左側所有內澆道截面積之和的1.5倍，右側橫澆道截面積是右側所有內澆道截面積之和的1.5倍)；

經過調試最終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，至此完成澆注系統的設計。

實施例1

該灰鑄鐵輪轂鑄件基本參數：材質：HT200，鑄件體積V_C＝137260.8492mm³，鑄件表面積S_C＝38019.3132mm²，鑄件密度ρ＝6.45×10^-6kg/mm³，鑄件質量m＝ρ·V_c＝0.885kg，鑄件模數

第一步、鑄造設備

本實施例中選取的是小型灰鑄鐵輪轂類鑄件，并且生產線為DISA線，砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統均設置在分型面上；

第二步、冒口設計

1)對鑄件進行分析并劃分結構體

將鑄件分為圖4中的a、b、c三個部分，分別叫輪轂、輪輻、輪緣。三個分體的模數分別為M_a＝0.46cm,M_b＝0.24cm,M_c＝0.38cm。

2)計算質量周界商、灰鑄鐵件收縮時間分數、收縮模數因數

鑄件質量周界商：

灰鑄鐵收縮時間分數：收縮模數因數：

3)計算冒口模數并確定出冒口形狀和尺寸

M_r＝f₁·f₂·f₃·M_c，則M_r＝0.36×1.3×0.83×1.3＝0.5cm，D＝6×M_r,取圓形有窩冒口H/D＝1.1，其尺寸為Φ30mm×33mm。

4)計算鑄件收縮模數

M_s＝M·f₂＝0.3cm

5)確定冒口位置

三個分體的模數分別為M_a＝0.46cm,M_b＝0.24cm,M_c＝0.38cm，顯然，a分體和c分體為熱節，因為a、c分體模數Ma、Mc均大于Ms。經過計算分體輪緣的收縮模數為M_SC＝f₂·M_C＝0.32cm,由于M_SC大于M_b,所以輪輻不能作為補縮通道，即用一個冒口無法補縮到該件的兩個熱節，所以該處不改變鑄件模數，利用石墨化膨脹進行輪轂處自補縮。由于該鑄件的生產方式用的的DIAS線生產，DIAS線的生產冒口只能放置在分型面上，提高石墨化孕育，靠石墨化膨脹來消除縮松。結合DISA線的垂直分型特征，冒口放置在分型面上更利于操作從而實現批量生產，所以該鑄件的冒口放在輪緣，且位于鑄件的最上端。將鑄件高度h代入公式中，則

將冒口放置在鑄件的最上端，且離邊緣處的距離為δ＝4.1mm。

6)計算冒口頸模數并確定出冒口頸形狀和尺寸：

M_n＝M_C·f_p·f₂·f₄，其中，f₄為冒口頸長度因數，冒口頸長，f₄取值大，冒口頸短，f₄取值小。選取長方體冒口頸，根據冒口頸“短、薄、寬”的原則，一般冒口頸都比較短，查表可得f₄取值為0.8。f_P是流通效應因數，本實施例取f_P為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，依照冒口頸“短、薄、寬”的原則以及冒口位置δ，取冒口頸尺寸為3mm×15mm×3mm。

第三步、澆注系統設計

1)澆口杯設計

每件鑄件加冒口重約1kg，每型8件，暫定工藝出品率為70％，采用自動造型，1號澆口杯。

2)澆道設計

采用強封閉式的澆注系統，取μ_1直＝0.65，μ_2直＝0.63，μ_3直＝0.6分別為三層直澆道的流量系數，三層內澆道的流量系數為：μ_1內＝μ_2內＝μ_3內＝0.57。第一層與第二層的幾何高度分別為H₁＝162mm,H₂＝271mm,H₃＝380mm。所以有效截面積比例k_i根據公式(10)分別為：

所以各層的實際壓頭

由奧贊公式可得各層內澆道截面積，

上層內澆道的截面積為：

中層內澆道的截面積為：

下層內澆道的截面積為：

計算各層直澆道截面積：

左側上層直澆道截面積為：

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

右側上層直澆道截面積為：

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

左側中層直澆道截面積為：

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

右側中層直澆道截面積為：

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

左側下層直澆道截面積為：

S_3左直＝(2×S_3內)×1.2＝(2×18)×1.2＝43mm²

右側下層直澆道截面積為：

S_3右直＝S_3內×1.2＝18×1.2＝22mm²

計算左右兩側橫澆道的截面積

左側橫澆道的截面積：

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

右側橫澆道的截面積：

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

本實施例各澆道左右兩側每層的具體截面積見表1。

表1為各澆道各層截面形狀及尺寸

本實施例中型板布局方式為一型8件，根據鑄件、冒口輪廓尺寸及澆注系統尺寸，初步設計型板布局如圖1所示，直澆道具有明顯的曲折特點。對本實施例的澆冒口系統，用數值模擬軟件進行模擬，結果如圖5(a)所示，圖5(b)為原工藝下的縮松缺陷模擬圖，對比這兩個圖可知，在原工藝下容易產生縮松的部位在本實施例的澆冒口系統中完全消失了，說明本實施例獲得的鑄件無任何縮松缺陷產生，同時也保證了沒有縮孔現象。通過計算，鑄件的工藝生產率提高了21％。

對比例1：直澆道采用筆直向下，內澆道沿水平方向，其他條件與本發明相同。較本發明中型版布局空間利用率低，一箱中鑄件數量減少，工藝出品率降低，在DISA線上的應用成本大大增高。

對比例2：采用圖3所示的澆冒口系統，澆道截面積較本發明大許多，澆注系統與冒口融合，其他條件與本發明相同，由于無法進行冒口澆注系統獨立計算，計算結果可靠性低，導致工藝出品率為51.6％，鑄件中心位置出現縮松。

對比例3：補縮冒口不采用均衡凝固方法計算，采用鑄鋼件收縮參數計算，無法實現單一冒口補縮，從而出現縮松，若采用雙冒口，即輪轂和輪緣處分別設立冒口，得到冒口偏大，導致越補越縮，且降低了工藝出品率，并且無法應用在DISA線上。

由以上實施例可知，對每個鑄件采取獨立補縮冒口進行補縮可大大提高鑄件質量，DISA生產線的輪轂鑄件只能通過均衡凝固原理及利用石墨化自補縮設計冒口。采用冷冒口，圓柱形有冒口窩冒口，收集冷卻鐵水并補縮鑄件體收縮，最后計算所得結果需要校核。對本實施例鑄件而言，冒口大小控制在Φ30mm×33mm為宜，誤差均不超過1mm。冒口頸大小控制在3mm×15mm×3mm為宜，誤差均不超過1mm。過大會降低工藝出品率增加成本，過小會降低補縮效果降低鑄件質量。

鑄件的排布方式盡量緊湊，節省空間，本發明一型8件的設計方式在保證鑄件質量和工藝出品率的同時保持了DISA線上的生產效率，總體降低了生產成本。澆注系統采用等壓等流量工藝設計方法設計，冒口與澆注系統分離，工藝設計較為簡單，各小冒口相同便于實際操作，適合DISA自動規模生產，防止了各個鑄件質量差異。原鑄造工藝將冒口和澆注系統合為一體進行設計計算，無法同時兼顧二者的技術要求，本發明鑄造工藝的冒口及澆注系統設計計算清晰、精確度高，且用數值模擬技術進行評估和優化，大大提高了設計的科學性和可靠性。計算得到澆道截面積在具體實施例中，誤差控制在1mm²為宜。各澆道面積過大會造成充型順序混亂造成鑄件出現大量缺陷及降低工藝出品率。面積過小會造成充型速度過慢，出現澆不足及澆不滿現象。

本發明未述及之處適用于現有技術。