本實用新型屬于鑄鐵工藝技術領域，具體涉及一種生產小型圓環(huán)HT200鑄件DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，該澆冒口系統(tǒng)可以大幅度提高鑄件的出品率。

背景技術：

鑄造是將熔融的金屬澆注入鑄型內，經冷卻凝固獲得所需形狀的性能的零件的過程，現(xiàn)有的鑄件尤其是小型鑄鋼件通常在凝固完成后由于澆注系統(tǒng)的補縮不足，在鑄件的厚壁處、兩壁相交處及熱節(jié)處形成縮松縮孔缺陷，縮松缺陷是一種重要的鑄造缺陷，由于降低了承載載荷面的面積，它的存在會嚴重削弱鑄件的強度和硬度，相對于大型鑄件，小型鑄件由于凝固較快更容易形成縮松缺陷，這會影響鑄件的形狀和使用性能，降低工件的成品率。

小型鑄件在鑄造成型過程中引入冒口是一種有效消除縮松縮孔缺陷，提高鑄件質量的有效手段之一。但是合理的冒口設計(冒口模數(shù)和安放位置的選擇)是優(yōu)異工藝設計的關鍵環(huán)節(jié)。實驗試錯法無法有效地對鑄件的縮松縮孔缺陷進行預測，大量的實驗不僅延長了鑄件工藝的研發(fā)周期，同時也浪費了大量的人力、物力、財力，使中國的鑄造企業(yè)在國際中的競爭力降低。

用鑄造方法生產金屬構件是最為常用的工業(yè)方法之一，其中鑄鐵鑄件占鑄件總重量的一半以上?，F(xiàn)代鑄造業(yè)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線設備也存在一些不足，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(wěn)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(tǒng)和冒口系統(tǒng)緊湊排列，所以鑄造廠往往把冒口與澆注系統(tǒng)融合在一起設計。

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，因此生產出的鑄件常常出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷，且工藝出品率很低(一般在50％左右)。本實用新型所研究的某小型圓環(huán)HT200鑄件是一種灰鑄鐵鑄件，在實際澆注中出現(xiàn)了這樣的情況，工藝出品率偏低(57％)，且容易出現(xiàn)縮松缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種生產小型圓環(huán)HT200鑄件DISA線上的澆冒口系統(tǒng)及其設計方法。該澆冒口系統(tǒng)及設計方法可以有效消除縮松缺陷，且能夠顯著提高鑄造工藝的工藝出品率。

本實用新型解決所述技術問題采用的技術方案是：

一種生產小型圓環(huán)HT200鑄件DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，包括冒口、冒口頸和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)包括直澆道、橫澆道和內澆道，橫澆道的左右兩邊均連接有直澆道，在左側的直澆道上分上下層布置四件鑄件，每層兩件鑄件，且以左側的直澆道為軸線對稱分布，在右側的直澆道的左邊分上下層布置兩件鑄件；每個鑄件通過相應的內澆道與相應的直澆道相通，其特征在于各澆道的橫截面均為等腰梯形，每個內澆道與水平方向的夾角為30°，左右兩側相同層的內澆道的橫截面積相同；每側下層直澆道的橫截面積為該側下層總內澆道橫截面積的1.2倍，每側上層直澆道的橫截面積為該側上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍；以澆口杯為中心，每側的橫澆道的橫截面積為該側上層直澆道橫截面積的1.3倍；所述冒口通過冒口頸安放在鑄件的均衡段上。

一種上述的生產小型圓環(huán)HT200鑄件DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的設計方法，該方法通過均衡凝固技術來確定冒口和冒口頸的模數(shù)和形狀以及冒口的安放位置，同時配合等壓等流量方法設計的澆注系統(tǒng)，保證在澆注過程中每個型腔能夠同時充滿，并且冒口可以實現(xiàn)鑄件在凝固過程中石墨化膨脹后的有限補縮。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的突出優(yōu)越性為：

1)在保證消除鑄件縮松縮孔缺陷的前提下，將冒口和澆注系統(tǒng)的設計尺寸減小，使得鑄件的工藝出品率由原來的57％提高到了77.12％；

2)原鑄造工藝是將冒口和澆注系統(tǒng)合為一體進行設計計算，無法將冒口的有效補縮作用體現(xiàn)出來，設計的尺寸主要憑靠經驗來獲得，缺乏科學性，雖然經過多次實驗調整，仍無法消除鑄件中心的縮松缺陷，工藝出品率很低。本實用新型澆冒口系統(tǒng)是將鑄件的澆注系統(tǒng)和冒口分開設計計算，計算結果清晰、準確度高，且利用數(shù)值模擬技術進行評估和優(yōu)化，大大提高了設計的科學性和嚴謹性。

3)原鑄造工藝采用恒壓等流量原理設計澆注系統(tǒng)，澆注時各鑄件無法保證同時充填，影響鑄件的質量。本實用新型采用等壓等流量澆注系統(tǒng)，可以保證每個鑄件達到等壓、等流速、等流量、同時充填完畢。該工藝設計較為簡單，各小冒口相同便于實際操作，適合DISA自動規(guī)模生產，防止了各個鑄件質量差異。

4)根據(jù)新設計方法計算，重新調整了鑄件的分布，節(jié)省了空間，提高了鑄件的生產效率。

附圖說明

圖1為本實用新型所述的小型圓環(huán)HT200鑄件的結構示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術生產小型圓環(huán)HT200鑄件的澆冒口系統(tǒng)結構示意圖；

圖3為用數(shù)值模擬軟件對現(xiàn)有技術的澆冒口系統(tǒng)生產的鑄件進行模擬，得到的該鑄件的縮松縮孔缺陷圖；其中圖3-1為縮孔的缺陷圖，圖3-2為縮松的缺陷圖；

圖4為本實用新型方法對鑄件進行結構分體劃分的分體示意圖；

圖5為本實用新型生產小型圓環(huán)HT200鑄件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的結構示意圖；

圖6為采用本實用新型澆冒口系統(tǒng)生產得到的鑄件的數(shù)值模擬下的縮松縮孔缺陷圖；其中圖6-1為縮孔的缺陷圖，圖6-2為縮松的缺陷圖；

圖中，1為冒口，2為冒口頸，3為直澆道，4為澆口杯，5為橫澆道，6為內澆道，7為鑄件。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖進一步描述本實用新型，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本實用新型生產小型圓環(huán)HT200鑄件(簡稱鑄件)的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)(簡稱澆冒口系統(tǒng)，參見圖5)，包括冒口1、冒口頸2和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)包括直澆道3、橫澆道5和內澆道6，橫澆道5的左右兩邊均連接有直澆道3，在左側的直澆道上分上下層布置四件鑄件，每層兩件鑄件，且以左側的直澆道為軸線對稱分布，在右側的直澆道的左邊分上下層布置兩件鑄件7；每個鑄件7通過相應的內澆道6與相應的直澆道3相通，其特征在于各澆道的橫截面均為等腰梯形，且各澆道的橫截面的面積均不同，每個內澆道與水平方向的夾角為30°，利用Osann公式計算上下兩層內澆道的橫截面積，左右兩側相同層的內澆道的橫截面積相同；每側下層直澆道的橫截面積為該側下層總內澆道橫截面積的1.2倍，每側上層直澆道的橫截面積為該側上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍(即左側下層直澆道的橫截面積為左側下層總內澆道橫截面積的1.2倍，左側上層直澆道的橫截面積為左側上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍；右側下層直澆道的橫截面積為右側下層內澆道橫截面積的1.2倍，右側上層直澆道的橫截面積為右側上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍)；以澆口杯4為中心，每側的橫澆道的橫截面積為該側上層直澆道橫截面積的1.3倍(即左側的橫澆道的橫截面積為左側上層直澆道橫截面積的1.3倍，右側橫澆道的橫截面積為右側上層直澆道橫截面積的1.3倍)；采用均衡凝固技術設計冒口的模數(shù)以及安放位置，所述冒口1通過冒口頸2安放在鑄件7的均衡段上。

所述冒口的形狀為圓柱形，冒口頸2的形狀為長方體，該長方體的長寬高比為2:5:1。

本實用新型生產小型圓環(huán)HT200鑄件DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的設計方法，該方法通過均衡凝固技術來確定冒口和冒口頸的模數(shù)和形狀以及冒口的安放位置，同時配合等壓等流量方法設計的澆注系統(tǒng)，保證在澆注過程中每個型腔能夠同時充滿，并且冒口可以實現(xiàn)鑄件在凝固過程中石墨化膨脹后的有限補縮。

設計方法的具體步驟如下：

第一步、冒口及冒口頸的設計

(1)對鑄件進行分析，確定鑄件缺陷的具體位置，獲得鑄件的基本參數(shù)，包括鑄件材質，鑄件體積為V，鑄件表面積為S，鑄件密度為ρ，鑄件高度為h，鑄件質量Gc；

(2)根據(jù)M_S＝f₂M_C計算鑄件的收縮模數(shù)，其中f₂為鑄件的收縮模數(shù)因數(shù)，Mc為鑄件的模數(shù)；

(3)對鑄件進行結構體劃分，將小型圓環(huán)HT200鑄件沿外圓接觸面劃分為三個結構分體，計算各分體的模數(shù)，然后將各分體模數(shù)與步驟(2)得到的鑄件的收縮模數(shù)進行比較，確定鑄件的均衡段，將冒口1安放在均衡段上；

(4)根據(jù)M_R＝f₁f₂f₃M_C計算冒口的模數(shù)M_R，其中f₁是冒口平衡因數(shù)，f₃為冒口壓力因數(shù)；根據(jù)計算的冒口的模數(shù)及選取的冒口高度與冒口直徑的比值H/D，查手冊選擇冒口形狀以及尺寸，得到冒口的質量；

(5)根據(jù)M_N＝f_pf₂f₄M_C計算冒口頸的模數(shù)，其中f_p為流通效應因數(shù)，f_p＝0.45～0.55；f₂為鑄件的收縮模數(shù)因數(shù)；f₄為冒口頸長度因數(shù)；根據(jù)冒口頸模數(shù)查手冊選擇冒口頸的形狀以及尺寸，得到冒口頸的質量；

第二步、澆注系統(tǒng)的設計

采用等壓等流量技術設計澆注系統(tǒng)，結合鑄件充型過程數(shù)值模擬技術，設計出能夠同時充填上下兩層鑄件、尺寸更小的澆注系統(tǒng)，具體步驟包括：

(6)根據(jù)所有鑄件、冒口和冒口頸的總質量確定總的澆注金屬液的質量、澆注時間以及澆口杯4；

(7)利用Osann公式計算上下兩層內澆道的橫截面積，左右兩側相同層的內澆道的橫截面積相同；

(8)利用步驟(7)得到的各層內澆道的橫截面積計算各層直澆道的橫截面積，左側下層直澆道的橫截面積為左側下層總內澆道橫截面積的1.2倍，左側上層直澆道的橫截面積為左側上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍；右側下層直澆道的橫截面積為右側下層總內澆道橫截面積的1.2倍，右側上層直澆道的橫截面積為右側上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍；

(9)分別利用左右兩側直澆道的橫截面積計算左右兩側橫澆道的橫截面積，左側橫澆道的橫截面積為左側上層直澆道橫截面積的1.3倍，右側橫澆道的橫截面積為右側上層直澆道橫截面積的1.3倍；

(10)將每個內澆道和水平方向之間的夾角均設置為30°，以節(jié)省空間和緩沖澆注的沖擊效應；至此完成澆注系統(tǒng)的設計。

實施例1

本實施例生產小型圓環(huán)HT200鑄件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)包括冒口1、冒口頸2和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)包括直澆道3、橫澆道5和內澆道6，各澆道的橫截面均為等腰梯形，各澆道的橫截面的面積均不同，橫澆道5的左右兩邊分別連接有直澆道3，在左側的直澆道上分上下層布置四件鑄件，每層兩件鑄件，且以左側的直澆道為軸線對稱分布，在右側的直澆道的左邊分上下層布置兩件鑄件7；每個鑄件7的下部通過相應的內澆道6與相應的直澆道3相通，每個內澆道與水平方向的夾角為30°，上下兩層內澆道的橫截面積通過Osann公式計算求得；下層直澆道的橫截面積是下層總內澆道橫截面積的1.2倍，上層直澆道的橫截面積是上下兩層總內澆道橫截面積的1.2倍；以澆口杯4為中心，左側的橫澆道的橫截面積為左側上層直澆道橫截面積的1.3倍，右側橫澆道的橫截面積為右側上層直澆道橫截面積的1.3倍。

所述冒口1通過冒口頸2安放在鑄件7的均衡段上，冒口的形狀為圓柱形，冒口頸2的形狀為長方體，該長方體的長寬高比為2:5:1。

本實施例需要生產的小型圓環(huán)HT200鑄件的相關參數(shù)為：質量為2.5177kg，體積為321514.3641mm³，記為V，表面積為38656.9572mm²，記為S。材質為HT200，最小壁厚為14mm，具體鑄件參見圖1。

澆冒口系統(tǒng)的設計方法的具體步驟是：

第一步、冒口及冒口頸設計

(1)對鑄件進行分析，確定鑄件缺陷的具體位置，獲得鑄件的基本參數(shù)，包括鑄件材質，鑄件體積為V，鑄件表面積為S，鑄件密度為ρ，鑄件高度為h，鑄件質量Gc；

本實施例對圖1的鑄件進行分析，用數(shù)值模擬軟件對現(xiàn)有技術生產的鑄件的凝固過程進行數(shù)值模擬(現(xiàn)有技術的澆冒口系統(tǒng)參見圖2)，得到如圖3所示的縮松縮孔缺陷。

(2)計算鑄件的收縮模數(shù)

1)鑄件的整體模數(shù)

2)鑄件的質量周界商

其中Gc為鑄件的質量，Mc為鑄件的模數(shù)。

3)鑄件的收縮模數(shù)

Pc為鑄件的收縮時間分數(shù)

f₂為鑄件的收縮模數(shù)因數(shù)

M_S＝f₂M_C＝0.66cm

Ms為鑄件的收縮模數(shù)

(3)對鑄件進行結構體劃分

根據(jù)鑄件結構特征，將小型環(huán)類鑄件沿外圓接觸面劃分為3個結構分體，從左到右分別標記為分體1，分體2和分體3，如圖4所示。通過計算，得各分體模數(shù)分別為

M₁＝0.62cm，M₂＝0.73cm，M₃＝0.39cm。

因為M_2＞M_S＞M₁＞M₃，所以選擇分體1為均衡段，分體2為熱節(jié)，將冒口安放在分體1上。

(4)確定冒口模數(shù)以及冒口尺寸

M_R＝f₁f₂f₃M_C＝0.95cm，其中f₁是冒口平衡因數(shù)，f₃為冒口壓力因數(shù)，f₁＝1.2,f₃＝1.2。

選用圓柱形有冒口窩冒口體

H/D＝1.1D＝55mm H＝60mm

H為冒口的高度，D為冒口的直徑。

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

S_R為冒口的散熱表面積，V_R為冒口的體積，G_R為冒口的重量，M_R為冒口的收縮模數(shù)。

(5)確定冒口頸的模數(shù)以及尺寸

M_N＝f_pf₂f₄M_C＝0.25cm

式中f_p為流通效應因數(shù)，f_p＝0.45～0.55；f₂為收縮模數(shù)因數(shù)；f₄為冒口頸長度因數(shù)，冒口頸越長，則f₄越大。

e＝2M_N＝2×0.25＝0.5cm＝5mm

W＝25mm L＝10mm

e為冒口頸的厚度，W為冒口頸的寬度，L為冒口頸的長度

最終選用的冒口形狀為圓柱形冒口，冒口頸為長寬高比為2:5:1的長方體。

第二步、澆注系統(tǒng)設計

(6)鑄件的質量為2.6kg，(因為鑄件澆注完成后需要進行加工切除毛邊，因此澆注時的鑄件質量要比實際質量大)共布置6件，則鑄件總質量為15.6kg，冒口的總質量為7.02kg，因此鑄件和冒口的總質量為22.6kg，按出品率60％計算，則澆注的總金屬液質量為26kg。澆注時間為8s，2s填充澆道，6s填充鑄型。選用手工造型3號澆口杯。

(7)利用Osann公式計算上下兩層內澆道的橫截面積

上層內澆道的橫截面積為：

下層內澆道的橫截面積為：

G為流經截面積的金屬液質量；

ρ為材料的密度；

μ為流量系數(shù)；

τ為金屬液流經截面積時間；

g為重力加速度；

h_p為平均實際壓頭；

(8)計算各層直澆道的橫截面積

左側下層直澆道的橫截面積為：A_直左下＝1.2×2×A₂＝120mm²

左側上層直澆道的橫截面積為：A_直左上＝1.2×2×(A₁+A₂)＝280mm²

右側下層直澆道的橫截面積為：A_直右下＝1.2×A₂＝60mm²

右側上層直澆道的橫截面積為：A_直右上＝1.2×(A₁+A₂)＝140mm²

(9)計算左右兩側橫澆道橫截面積

左側橫澆道的橫截面積為：A_橫左＝1.3×A_直左上＝364mm²

右側橫澆道的橫截面積為：A_橫右＝1.3×A_直右上＝185mm²

各澆道的橫截面形狀均為等腰梯形。

(10)為了節(jié)省空間以及緩沖澆注的沖擊，將每個內澆道設置為與水平方向的夾角為30度。

利用數(shù)值模擬軟件對使用上述澆注系統(tǒng)和冒口的鑄造過程進行數(shù)值模擬，得到如圖6所示的鑄件縮松縮孔圖，觀察發(fā)現(xiàn)通過本實施例的澆冒口系統(tǒng)及設計方法獲得的鑄件無縮松縮孔現(xiàn)象，對比圖3和圖6可知，相對于現(xiàn)有的工藝(無縮孔現(xiàn)象，有縮松現(xiàn)象)本申請的鑄件既沒有縮孔現(xiàn)象也沒有縮松現(xiàn)象，克服了現(xiàn)有澆冒口系統(tǒng)的不足。

另外，對使用本實用新型的澆冒口系統(tǒng)得到的鑄件進行機加工切片，對斷口進行肉眼觀察，沒有發(fā)現(xiàn)針孔點的缺陷，再對鑄件進行金相組織觀察，也沒有發(fā)現(xiàn)微觀縮松孔洞。同時本申請的工藝出品率為77.2％，與原工藝比較，出品率提高了20％。

上述實施例表明本申請可以有效改善鑄件的質量，同時提高了鑄件的出品率，并且該澆注系統(tǒng)結構簡單，方便推廣和應用。

本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術。