本實用新型屬于鑄鐵工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鑄造生產(chǎn)是液態(tài)金屬成型的生產(chǎn)方法，液態(tài)金屬進入鑄型中經(jīng)過冷卻、凝固后形成金屬制品的過程成為鑄造生產(chǎn)，簡稱鑄造，生產(chǎn)的金屬制品稱為鑄件。絕大多數(shù)鑄件被用作毛坯，需要經(jīng)過機加工后才能成為各種機器零件；少數(shù)達(dá)到使用尺寸精度和表面粗糙度要求的鑄件可直接作為成品或零件使用。

采用現(xiàn)有技術(shù)中的鑄造工藝鑄造生產(chǎn)時，通常會在鑄件的上部、冒口附近、最后的凝固部位、鑄件厚壁處及內(nèi)澆口附近等凝固較晚或者凝固緩慢的部位(通常稱之為熱節(jié))，產(chǎn)生縮孔、縮松的缺陷。而當(dāng)鑄件具有縮松縮孔缺陷時，其金屬連續(xù)性變差，承載的有效面積也變小，而且也容易在這些缺陷部位形成應(yīng)力集中，從而影響鑄件的力學(xué)機械性能。另外，采用原有工藝技術(shù)，鑄件的工藝出品率低。

現(xiàn)代鑄造業(yè)普遍采用自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)鑄件，其中DISA生產(chǎn)線是用于大批量生產(chǎn)小型鑄鐵件的常用設(shè)備。DISA生產(chǎn)線采用壓縮空氣擠壓造型，砂型緊實度好，生產(chǎn)效率高，適于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中等復(fù)雜，精確度要求高的球鐵和灰鐵鑄件。

但是DISA線設(shè)備也存在一些不足，DISA線設(shè)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(nèi)。DISA線設(shè)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(zhì)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(chǎn)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(shè)計。圖2為原澆冒口系統(tǒng)的型板布局圖，一個型板中布置了9個鑄件，可以看到原有工藝存在如下缺點：(1)型板中布置了9個鑄件，分為三層布置，導(dǎo)致原澆注系統(tǒng)中直澆道設(shè)計過于冗長。(2)同時澆注系統(tǒng)中冒口和澆道的設(shè)計尺寸偏大，導(dǎo)致工藝出品率很低。而且由于澆道的設(shè)計采用的是恒壓等流量工藝方案，致使直澆道的最下面壓頭偏大，澆注鑄件時，金屬液流速偏大，下層內(nèi)澆道滲透壓大，使下層鑄件產(chǎn)生氣孔、毛刺缺陷。(3)原有工藝當(dāng)中，為了提高生產(chǎn)效率，鑄造廠往往把冒口與澆注系統(tǒng)融合在一起設(shè)計計算，無法同時兼顧二者的技術(shù)要求，設(shè)計計算主要依賴經(jīng)驗，雖然經(jīng)過反復(fù)實驗調(diào)整，仍然無法消除靠近直澆道鑄件的縮松縮孔缺陷。(4)原鑄造工藝采用恒壓等流量原理設(shè)計澆注系統(tǒng)，澆注時各鑄件無單獨的冒口，僅依靠直澆道補縮，且無法保證同時充填，影響鑄件的質(zhì)量。

當(dāng)前采用DISA線的鑄造企業(yè)一般是按照DISA公司給出的設(shè)計方法進行澆注系統(tǒng)設(shè)計，采用類似鑄鐵冒口設(shè)計經(jīng)驗方法設(shè)計冒口，缺乏嚴(yán)格的科學(xué)性，因此生產(chǎn)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缸體灰鑄鐵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(63.5％)， 且容易出現(xiàn)縮松缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的問題，本實用新型擬解決的技術(shù)問題是，提供一種小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)及其設(shè)計方法。該澆冒口系統(tǒng)可以大幅度提高鑄件的出品率，并減少縮松、縮孔缺陷，最終獲得質(zhì)量好的小型缸體灰鑄鐵鑄件。

本實用新型解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一種小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)，其特征在于該澆冒口系統(tǒng)包括冒口和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)包括內(nèi)澆道、直澆道和橫澆道，每個型板中布置八個鑄件，所述橫澆道以澆口杯為中心左右兩側(cè)對稱設(shè)置有一個直澆道，每個直澆道上分上下層布置有四個鑄件，且以每個直澆道為軸對稱分布，每個鑄件通過相應(yīng)的內(nèi)澆道與直澆道聯(lián)通；在每個直澆道的下端設(shè)有緩沖區(qū)域；所述內(nèi)澆道的截面形狀為矩形；直澆道和橫澆道的截面形狀均為等腰梯形，八個內(nèi)澆道的截面積均相等，所述橫澆道截面積是單個內(nèi)澆道截面積的6.25倍，位于上層的直澆道的截面積是單個內(nèi)澆道截面積的4.8倍，位于下層的直澆道截面積是單個內(nèi)澆道截面積的1.9倍；所述冒口均單獨設(shè)置在每個鑄件的正上方。

一種上述的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計方法，在冒口設(shè)計時，將灰鑄鐵的石墨化膨脹考慮進去，采用均衡凝固原理計算出冒口的大小及形狀；在澆注系統(tǒng)設(shè)計時，首先將采用均衡凝固原理計算出的冒口質(zhì)量以及相應(yīng)的鑄件質(zhì)量加和，然后再根據(jù)等壓等流量工藝設(shè)計方法分別計算出內(nèi)澆道、直澆道、橫澆道的截面積，最終經(jīng)過數(shù)值模調(diào)試出各澆道的最佳截面形狀和尺寸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：

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(shè)計尺寸減小，使得鑄件的工藝出品率由原來的63.5％提高到了74.1％；

2)原鑄造工藝將冒口和澆注系統(tǒng)合為一體進行設(shè)計計算，無法同時兼顧二者的技術(shù)要求，設(shè)計計算主要依賴經(jīng)驗，雖然經(jīng)過反復(fù)實驗調(diào)整，仍然無法消除鑄件中心的縮松缺陷，工藝出品率也很低。本實用新型鑄造工藝的冒口及澆注系統(tǒng)設(shè)計計算清晰、精確度高，且對于每個鑄件都單獨設(shè)置冒口，充分考慮石墨化膨脹，采用均衡凝固理論設(shè)計冒口，大大減小了冒口體積，且用數(shù)值模擬技術(shù)進行評估和優(yōu)化，大大提高了設(shè)計的科學(xué)性和可靠性；

3)原鑄造工藝采用恒壓等流量原理設(shè)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(zhì)量。而本實用新型采用等壓等流量工藝設(shè)計方法設(shè)計澆注系統(tǒng)，減小了澆道的截面積，使之前的直澆道截面積有效減小，有效地改善了靠近直澆道的鑄件產(chǎn)生縮孔的趨勢，并且設(shè)計的澆注系統(tǒng)可以保證每個鑄件達(dá)到等壓、等流速、等流量、同時充填完畢。該工藝設(shè)計較為簡單，各冒口結(jié)構(gòu)相同便于實際操作，適合DISA自動規(guī)模生產(chǎn)，防止了各個鑄件質(zhì)量差異。

4)原工藝吃砂量過小，會存在安全隱患，而本實用新型設(shè)計方法，重新調(diào)整了鑄件的型板分布，將原工藝一型9件改為一型8件，減小了直澆道的長度，在提高鑄件工藝出品率的前提下，顯著縮小了澆冒口系統(tǒng)的尺寸，節(jié)省空間，生產(chǎn)過程更加安全，同時保證澆注過 程順利進行且生產(chǎn)效率較高，得到本實用新型生產(chǎn)的小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)型板布局圖。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1為本實用新型小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)型板布局圖；

圖2為原澆冒口系統(tǒng)的型板布局圖；

圖3為原澆冒口系統(tǒng)對應(yīng)的縮松縮孔示意圖；圖3(a)為原澆冒口系統(tǒng)下生產(chǎn)鑄件對應(yīng)的縮松示意圖；圖3(b)為原澆冒口系統(tǒng)下生產(chǎn)對應(yīng)的縮孔示意圖；

圖4為本實用新型澆冒口系統(tǒng)下生產(chǎn)鑄件對應(yīng)的縮松縮孔示意圖；其中圖4(a)為本實用新型澆冒口系統(tǒng)下生產(chǎn)鑄件對應(yīng)的縮松示意圖；圖4(b)為本實用新型澆冒口系統(tǒng)下生產(chǎn)鑄件對應(yīng)的縮孔示意圖；

圖5為本實用新型所述的一種實施例小型缸體灰鑄鐵件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5(a)為正視圖，圖5(b)為左視圖，圖5(c)為俯視圖，圖5(d)為正等軸測圖；

圖中，1鑄件，2冒口，3內(nèi)澆道，4直澆道，5澆口杯，6橫澆道，7緩沖區(qū)域。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖進一步敘述本實用新型，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護范圍的限定。

本實用新型小型缸體灰鑄鐵件(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1)包括冒口和澆注系統(tǒng)，所述澆注系統(tǒng)包括內(nèi)澆道3、直澆道4和橫澆道6，每個型板中布置八個鑄件，所述橫澆道6以澆口杯5為中心左右兩側(cè)對稱設(shè)置有一個直澆道4，每個直澆道上分上下層布置有四個鑄件，且以每個直澆道為軸對稱分布，在每個鑄件的正上方均單獨設(shè)置冒口2，同一層上直澆道兩側(cè)的鑄件呈正反面放置，每個鑄件通過相應(yīng)的內(nèi)澆道3與直澆道4聯(lián)通；在每個直澆道4的下端設(shè)有緩沖區(qū)域7；所述內(nèi)澆道3的截面面積采用等壓等流量工藝設(shè)計方法進行計算，截面形狀為矩形；直澆道和橫澆道的截面形狀均為等腰梯形，八個內(nèi)澆道的截面積均相等，所述橫澆道6截面積是單個內(nèi)澆道3截面積的6.25倍，位于上層的直澆道的截面積是單個內(nèi)澆道3截面積的4.8倍，位于下層的直澆道截面積是單個內(nèi)澆道截面積的1.9倍。

所述冒口2設(shè)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，選取方形無冒口窩冒口。

本實用新型中所述截面均是指相應(yīng)澆道的橫截面。

本實用新型小型缸體灰鑄件的DISA線上的澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計方法是：在冒口設(shè)計時，將灰鑄鐵的石墨化膨脹考慮進去，采用均衡凝固原理計算出冒口的大小及形狀；在澆注系統(tǒng)設(shè)計時，首先將采用均衡凝固原理計算出的冒口質(zhì)量以及相應(yīng)的鑄件質(zhì)量加和，然后再根據(jù)等壓等流量工藝設(shè)計方法分別計算出內(nèi)澆道、直澆道、橫澆道的截面積，最終經(jīng)過數(shù)值模調(diào)試出各澆道的最佳截面形狀和尺寸。

具體步驟是：

第一步：鑄造工藝裝備的選擇

針對小型缸體灰鑄鐵件的自身特點及DISA線的生產(chǎn)條件，選擇砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統(tǒng)均設(shè)置在分型面上。

第二步：冒口的設(shè)計

1)鑄件基本參數(shù)及基本量的計算

已知小型缸體灰鑄鐵件的材質(zhì)為HT200，鑄件體積為v_c，鑄件表面積為s_c，鑄件的密度為ρ；根據(jù)質(zhì)量計算公式計算出鑄件的質(zhì)量為m_c＝ρ.v_c；根據(jù)幾何模數(shù)的定義計算出鑄件的幾何模數(shù)為

2)計算質(zhì)量周界商Qm、灰鑄鐵件收縮時間分?jǐn)?shù)Pc、收縮模數(shù)因數(shù)f₂及收縮模數(shù)Ms；

質(zhì)量周界商：

灰鑄鐵收縮時間分?jǐn)?shù)：

收縮模數(shù)因數(shù)：

鑄件的收縮模數(shù)：M_s＝f₂·M_c

3)計算冒口模數(shù)，確定冒口的形狀和尺寸

冒口模數(shù)為M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃；

其中為f₁冒口平衡因數(shù)，f₁取值為1.3，f₃為冒口壓力因數(shù)，f₃的取值與鑄件質(zhì)量周界商有關(guān)，可根據(jù)計算得到的Q_m查表獲得；

根據(jù)上述冒口模數(shù)，取冒口形狀為方形無窩冒口，由于冒口只是起補縮作用，根據(jù)經(jīng)驗確定H/A＝1.1，B/A＝1.1(其中H為冒口體高度，A為冒口體寬，B為冒口體長度)，然后通過查表獲得冒口尺寸；

4)計算冒口頸模數(shù)并確定出冒口頸形狀和尺寸

冒口頸模數(shù)為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(shù)，f₄取值為0.8；f_P是流通效應(yīng)因數(shù)，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(shè)計

1)澆口杯

根據(jù)單個鑄件和冒口的質(zhì)量之和及工藝出品率的要求，選取澆口杯，并采用自動造型；

2)澆道設(shè)計

采用等壓等流量工藝設(shè)計方法計算出單個內(nèi)澆道截面積S₁：

其中，G為流經(jīng)內(nèi)澆道截面積的金屬液質(zhì)量，本實用新型中即為一個冒口和一個鑄件所占金屬液的質(zhì)量之和；μ為流量系數(shù)，μ取值為0.35；τ為金屬液流經(jīng)截面積的時間，根據(jù)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；

橫澆道截面積S4是單個內(nèi)澆道截面積S₁的6.25倍，位于上層的直澆道截面積S₂是單個內(nèi)澆道截面積S₁的4.8倍，位于下層的直澆道截面積S₃是單個內(nèi)澆道截面積S₁的1.9倍。

經(jīng)過數(shù)值模擬調(diào)試確定內(nèi)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(jù)上述公式計算得到，至此完成澆注系統(tǒng)的設(shè)計。

本實用新型中所述的小型缸體灰鑄件普遍存在于家電類器件中，適合用DISA自動規(guī)模生產(chǎn)，具體形狀如圖5所示，該小型缸體灰鑄鐵件中間具有環(huán)形結(jié)構(gòu)，側(cè)面四周角具有可以起到支撐作用的突起部分，整體形狀比較復(fù)雜。

實施例1

本實施例小型缸體灰鑄鐵件的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)包括內(nèi)澆道3、直澆道4和橫澆道6，每個型板中布置八個鑄件，所述橫澆道6以澆口杯5為中心左右兩側(cè)對稱設(shè)置有一個直澆道4，每個直澆道上分上下層布置有四個鑄件，且以每個直澆道為軸對稱分布，在每個鑄件的上方均單獨設(shè)置冒口2，同一層上直澆道兩側(cè)的鑄件呈正反面放置，每個鑄件通過相應(yīng)的內(nèi)澆道3與直澆道4聯(lián)通；在每個直澆道4的下端設(shè)有緩沖區(qū)域7；所述內(nèi)澆道3的截面面積采用等壓等流量工藝設(shè)計方法進行計算，截面形狀為矩形；直澆道和橫澆道的截面形狀均為等腰梯形，八個內(nèi)澆道的截面積均相等，所述橫澆道6截面積是單個內(nèi)澆道3截面積的6.25倍，位于上層的直澆道的截面積是單個內(nèi)澆道3截面積的4.8倍，位于下層的直澆道截面積是單個內(nèi)澆道截面積的1.9倍。

本實施例的冒口為方形無冒口窩冒口，冒口頸為長方體冒口頸，

本實施例鑄件的基本參數(shù)為：鑄件材質(zhì)為HT200，鑄件體積V_C＝204215.1562mm³，鑄件表面積S_C＝44197.2478mm²，鑄件密度ρ＝6.45*10^-6kg/mm³，

該澆冒口系統(tǒng)的具體設(shè)計步驟如下：

第一步：鑄造工藝裝備的選擇

針對小型缸體灰鑄鐵件的自身特點及DISA線的生產(chǎn)條件，選擇砂型鑄造，垂直分型，冒口和澆注系統(tǒng)均設(shè)置在分型面上。

第二步：冒口設(shè)計

1)鑄件基本參數(shù)設(shè)置及基本量的計算

鑄件材質(zhì)為：HT200，鑄件體積V_C＝204215.1562mm³，鑄件表面積S_C＝44197.2478mm²，鑄件密度ρ＝6.45*10^-6kg/mm³；

根據(jù)質(zhì)量計算公式計算出鑄件的質(zhì)量：m_C＝ρ·V_C＝1.32kg；根據(jù)幾何模數(shù)的定義計算 出鑄件的幾何模數(shù)：

2)計算質(zhì)量周界商、灰鑄鐵件收縮時間分?jǐn)?shù)、收縮模數(shù)因數(shù)及鑄件的收縮模數(shù)

質(zhì)量周界商：

灰鑄鐵件收縮時間分?jǐn)?shù)：

收縮模數(shù)因數(shù):

鑄件的收縮模數(shù)

M_S＝M_C·f₂＝0.383cm

4)計算冒口模數(shù)并確定出冒口形狀和尺寸

冒口模數(shù)：M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃，則M_r＝0.462*1.2*0.83*1.3＝0.6cm，其中f₁是冒口平衡因數(shù)，取f₁＝1.2；f₃為冒口壓力因數(shù)，根據(jù)Q_m＝13.39kg/mm³查表可得：f₃＝1.3。冒口形狀取方形無冒口窩冒口，根據(jù)經(jīng)驗確定H/A＝1.1，B/A＝1.1，(其中H為冒口體高度，A為冒口體寬，B為冒口體長度)其尺寸為28mm×25mm×30mm。

5)計算冒口頸模數(shù)并確定出冒口頸形狀和尺寸

冒口頸模數(shù)：M_n＝M_C·f_p·f₂·f₄，則M_n＝0.462*0.5*0.83*0.8＝0.153cm

其中，f₄＝0.8，f_P＝0.5

冒口頸厚度：e＝(2～2.5)M_n＝4mm

冒口頸寬度：w≥5e＝20mm，

冒口頸長度：l≤3e＝5mm，

依照冒口頸“短、薄、寬”的原則，取冒口頸尺寸為4mm×30mm×5mm。

第三步：澆注系統(tǒng)設(shè)計

1)澆口杯

每件鑄件加冒口重1.5kg，每型8件，暫定工藝出品率為75％，采用自動造型，選擇1號澆口杯。

2)澆道設(shè)計

采用等壓等流量工藝設(shè)計方法計算單個內(nèi)澆道截面積S₁：

即

其中，G為每件鑄件和冒口質(zhì)量之和；

μ為流量系數(shù)，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(jīng)內(nèi)澆道截面積的時間，根據(jù)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，本實施例中取120mm。

橫澆道截面積S₄為單個內(nèi)澆道截面積S₁的6.25倍，即S₄＝6.25S₁＝300mm²，

位于上層的直澆道截面積是單個內(nèi)澆道3截面積的4.8倍，即S₂＝4.8S₁＝230.4mm²，

位于下層直澆道截面積是單個內(nèi)澆道截面積的1.9倍，即S₃＝1.9S₁＝91.2mm²，

經(jīng)過數(shù)值模擬優(yōu)化調(diào)試最終確定內(nèi)澆道截面形狀為矩形，內(nèi)澆道截面面積為48mm²；橫澆道、位于上層的直澆道、位于下層的直澆道的截面形狀均為等腰梯形，橫澆道的截面面積為300mm²，位于上層的直澆道的截面面積為232mm²，位于下層的直澆道的截面面積為91mm²；至此完成澆注系統(tǒng)的設(shè)計。

根據(jù)上述設(shè)計得到澆冒口系統(tǒng)，型板布局為一型八件，如圖1所示。

應(yīng)用本實施例設(shè)計好的澆冒口系統(tǒng)，采用用數(shù)值模擬軟件進行模擬，結(jié)果如圖4所示，圖3為原有工藝的澆冒口系統(tǒng)的豎直模擬縮松、縮孔缺陷圖?？梢钥闯鲈谠袧裁翱谙到y(tǒng)對應(yīng)的工藝下容易產(chǎn)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(chǎn)生，且本實施例也無縮孔現(xiàn)象。通過計算，本實施例鑄件的工藝生產(chǎn)率由原來的63.5％升高為74.1％，其工藝出品率顯著提高，最終獲得質(zhì)量好的鑄件。

上述實施例表明本申請可以有效改善鑄件的質(zhì)量，并減少縮松、縮孔缺陷，獲得表面質(zhì)量好的鑄件，同時顯著提高了鑄件的出品率，并且該澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，方便推廣和應(yīng)用。

本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。