本發明屬于鑄鐵工藝技術領域，具體涉及一種小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統及其設計方法。

背景技術：

鑄造生產是液態金屬成型的生產方法，液態金屬進入鑄型中經過冷卻、凝固后形成金屬制品的過程成為鑄造生產，簡稱鑄造，生產的金屬制品稱為鑄件。絕大多數鑄件被用作毛坯，需要經過機加工后才能成為各種機器零件；少數達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。

采用現有技術中的鑄造工藝鑄造生產時，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)，產生縮孔、縮松的缺陷。而當鑄件具有縮松縮孔缺陷時，其金屬連續性變差，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力集中，從而影響鑄件的力學機械性能。另外，采用原有工藝技術，鑄件的工藝出品率低。

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。圖2為原澆冒口系統的型板布局圖，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，導致原澆注系統中直澆道設計過于冗長。(2)同時澆注系統中冒口和澆道的設計尺寸偏大，導致工藝出品率很低。而且由于澆道的設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，下層內澆道滲透壓大，使下層鑄件產生氣孔、毛刺缺陷。(3)原有工藝當中，為了提高生產效率，鑄造廠往往把冒口與澆注系統融合在一起設計計算，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計澆注系統，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，影響鑄件的質量。

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縮孔縮松等缺陷，且工藝出品率很低(一般在50％左右)。本發明所研究的某小型缸體灰鑄鐵件是一種灰鑄鐵鑄件，在實際澆注中出現了這樣的情況，工藝出品率偏低(63.5％)，且容 易出現縮松缺陷。

技術實現要素：

針對上述存在的問題，本發明擬解決的技術問題是，提供一種小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統及其設計方法。該澆冒口系統可以大幅度提高鑄件的出品率，并減少縮松、縮孔缺陷，最終獲得質量好的小型缸體灰鑄鐵鑄件。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是：

一種小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統，其特征在于該澆冒口系統包括冒口和澆注系統，所述澆注系統包括內澆道、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對稱設置有一個直澆道，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，每個鑄件通過相應的內澆道與直澆道聯通；在每個直澆道的下端設有緩沖區域；所述內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，八個內澆道的截面積均相等，所述橫澆道截面積是單個內澆道截面積的6.25倍，位于上層的直澆道的截面積是單個內澆道截面積的4.8倍，位于下層的直澆道截面積是單個內澆道截面積的1.9倍；所述冒口均單獨設置在每個鑄件的正上方。

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

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1)在保證消除鑄件縮松縮孔缺陷的前提下，將冒口和澆注系統的設計尺寸減小，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。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，且對于每個鑄件都單獨設置冒口，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，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；

3)原鑄造工藝采用恒壓等流量原理設計澆注系統，澆注時各鑄件無法保證同時充填，影響鑄件的質量。而本發明采用等壓等流量工藝設計方法設計澆注系統，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生縮孔的趨勢，并且設計的澆注系統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，各冒口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)原工藝吃砂量過小，會存在安全隱患，而本發明設計方法，重新調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的尺寸，節省空間，生產過程更加安全，同時保證澆注過程順 利進行且生產效率較高，得到本發明生產的小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統型板布局圖。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1為本發明小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統型板布局圖；

圖2為原澆冒口系統的型板布局圖；

圖3為原澆冒口系統對應的縮松縮孔示意圖；圖3(a)為原澆冒口系統下生產鑄件對應的縮松示意圖；圖3(b)為原澆冒口系統下生產對應的縮孔示意圖；

圖4為本發明澆冒口系統下生產鑄件對應的縮松縮孔示意圖；其中圖4(a)為本發明澆冒口系統下生產鑄件對應的縮松示意圖；圖4(b)為本發明澆冒口系統下產生鑄件對應的縮孔示意圖；

圖5為本發明所述的一種實施例小型缸體灰鑄鐵件的結構示意圖，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內澆道，4直澆道，5澆口杯，6橫澆道，7緩沖區域。

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。

本發明小型缸體灰鑄鐵件(簡稱鑄件)的DISA線上的澆冒口系統(簡稱澆冒口系統，參見圖1)包括冒口和澆注系統，所述澆注系統包括內澆道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為中心左右兩側對稱設置有一個直澆道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置冒口2，同一層上直澆道兩側的鑄件呈正反面放置，每個鑄件通過相應的內澆道3與直澆道4聯通；在每個直澆道4的下端設有緩沖區域7；所述內澆道3的截面面積采用等壓等流量工藝設計方法進行計算，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，八個內澆道的截面積均相等，所述橫澆道6截面積是單個內澆道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澆道截面積的1.9倍。

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，選取方形無冒口窩冒口。

本發明中所述截面均是指相應澆道的橫截面。

本發明小型缸體灰鑄鐵件的DISA線上的澆冒口系統的設計方法是：在冒口設計時，將灰鑄鐵的石墨化膨脹考慮進去，采用均衡凝固原理計算出冒口的大小及形狀；在澆注系統設計時，首先將采用均衡凝固原理計算出的冒口質量以及相應的鑄件質量加和，然后再根據等壓等流量工藝設計方法分別計算出內澆道、直澆道、橫澆道的截面積，最終經過數值模調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：冒口的設計

1)鑄件基本參數及基本量的計算

已知小型缸體灰鑄鐵件的材質為HT200，鑄件體積為v_c，鑄件表面積為s_c，鑄件的密度為ρ；根據質量計算公式計算出鑄件的質量為m_c＝ρ.v_c；根據幾何模數的定義計算出鑄件的幾何模數為

2)計算質量周界商Qm、灰鑄鐵件收縮時間分數Pc、收縮模數因數f₂及收縮模數Ms；質量周界商：

灰鑄鐵收縮時間分數：

收縮模數因數：

鑄件的收縮模數：M_s＝f₂·M_c

3)計算冒口模數，確定冒口的形狀和尺寸

冒口模數為M_r＝M_C·f₁·f₂·f₃；

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

根據上述冒口模數，取冒口形狀為方形無窩冒口，由于冒口只是起補縮作用，根據經驗確定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)計算冒口頸模數并確定出冒口頸形狀和尺寸

冒口頸模數為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，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：澆注系統設計

1)澆口杯

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

2)澆道設計

采用等壓等流量工藝設計方法計算出單個內澆道截面積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；

橫澆道截面積S4是單個內澆道截面積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是單個內澆道截面積S₁的1.9倍。

經過數值模擬調試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計算得到，至此完成澆注系統的設計。

本發明中所述的小型缸體灰鑄鐵件普遍存在于家電類器件中，適合用DISA自動規模生產，具體形狀如圖5所示，該小型缸體灰鑄鐵件中間具有環形結構，側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線上的澆冒口系統包括冒口和澆注系統，所述澆注系統包括內澆道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為中心左右兩側對稱設置有一個直澆道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置冒口2，同一層上直澆道兩側的鑄件呈正反面放置，每個鑄件通過相應的內澆道3與直澆道4聯通；在每個直澆道4的下端設有緩沖區域7；所述內澆道3的截面面積采用等壓等流量工藝設計方法進行計算，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，八個內澆道的截面積均相等，所述橫澆道6截面積是單個內澆道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為：鑄件材質為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，

該澆冒口系統的具體設計步驟如下：

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)鑄件基本參數設置及基本量的計算

鑄件材質為：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；

根據質量計算公式計算出鑄件的質量：m_C＝ρ·V_C＝1.32kg；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、收縮模數因數及鑄件的收縮模數

質量周界商：

灰鑄鐵件收縮時間分數：

收縮模數因數:

鑄件的收縮模數

M_S＝M_C·f₂＝0.383cm

4)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，則M_r＝0.462*1.2*0.83*1.3＝0.6cm，其中f₁是冒口平衡因數，取f₁＝1.2；f₃為冒口壓力因數，根據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，根據經驗確定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，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：澆注系統設計

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)澆道設計

采用等壓等流量工藝設計方法計算單個內澆道截面積S₁：

即

其中，G為每件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，本實施例中取120mm。

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

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

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

經過數值模擬優化調試最終確定內澆道截面形狀為矩形，內澆道截面面積為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；至此完成澆注系統的設計。

根據上述設計得到澆冒口系統，型板布局為一型八件，如圖1所示。

應用本實施例設計好的澆冒口系統，采用用數值模擬軟件進行模擬，結果如圖4所示，圖3為原有工藝的澆冒口系統的豎直模擬縮松、縮孔缺陷圖。可以看出在原有澆冒口系統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，且本實施例也無縮孔現象。通過計算，本實施例鑄件的工藝生產率由原來的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量，并減少縮松、縮孔缺陷，獲得表面質量好的鑄件，同時顯著提高了鑄件的出品率，并且該澆注系統結構簡單，方便推廣和應用。

本發明未述及之處適用于現有技術。