（机械工程专业论文）一拖kw静压线浇注和补缩技术应用研究.pdf

摘要 论文题目：一拖k w 静压线浇注和补缩技术 应用研究 专业：机械工程 研究生：赵治国( 签名 指导教师：魏兵教授( 签名 吴绍亮高级工程师( 签名) 摘要 本文在综述铸铁件的浇注和补缩理论的基础上，结合一拖k w 静压线浇注和 补缩的生产实际，利用铸铁件均衡凝固浇注和补缩技术，建立了一拖k w 静压线 浇注和补缩一体化设计工艺文件。 在对一拖k w 静压线工艺参数进行统计分析的基础上，推荐了一拖k w 静压 线不同生产条件下流量系数表、浇注时间公式、浇注系统截面的形状和尺寸表； 研究浇注系统充填设计的数学模型，对一拖k w 静压线常用的浇注系统类型进行 分析和归类，建立了浇注系统充填设计技术文件，可用于一拖k w 静压线铸件的 工艺评估和重新设计。 对一拖k w 静压线补缩系统的工艺参数、补缩结构类型、冒口类型以及铸件 模数、铸件热节模数与相应的浇注系统模数、冒口模数、冒口颈模数的关系等进 行了统计分析，在此基础上，推荐了拖k w 静压线铸铁件冒口尺寸序列表；对 均衡凝固技术中所提出的铸铁件收缩时间分数和补缩率计算公式进行了一拖k w 静压线的应用验证；研究一拖k w 静压线的浇注系统当冒口补缩设计的数学模型， 针对浇注系统流通效应对补缩的影响，推荐了浇注系统流通效应因数，提出浇注 西安j e _ r 大学硕士学位论文 系统补缩设计方法，建立了一拖k w 静压线浇注和补缩一体化设计文件。 进行一拖k w 静压线浇注和补缩设计技术文件的生产验证，1 2 0 4 3 7 1 0 1 传动 箱壳体、主减速器壳体、4 1 d 7 3 6 0 9 6 端盖3 铸件生产结果表明，所提出的拖k w 静压线充填设计、浇注和补缩一体化设计文件可用于指导生产。 关键词：k w 静压造型线铸铁件浇注铸铁件补缩 浇注系统当冒口 垒! 堕型 一一 s u b j e c t ：f i l l i n ga n df e e d i n ga p p l i c a t i o ns t u d yo fk w m a j o r n a m e c 0 i j n ) ：z h a oz h i g u o ( s i g n a t u r e ) 0 1 1t h eb a s i s0 f g 瑚l 舐痂gi r o n 螂俐吨孤d 制嘴t h e o r y , c o m b i n i n gw i t ht h e 卸i i l gm k i f 酬i n g 硼d d i 施l 呻面k ll h ef n , s tt r a c t o rc o l t dk w s e i y a t s uf 1 1 c 村i n gl 抵u s i n g 嘶锄瞎 p m t m a l o m l - s o l i d i f i c a l i o nf i l l i n ga n df e e d i i l gt w 2 n o b g y , d o c t o n 口t so f i r o nc a s t i n g sk t m g r m i o nd e s i g nf o r f i l l i n g a n d f e e d i n g o f t h e f i r s t t r a c t o r c o 1 a d k w s e w a t s u r o o m i n g l i n e w a s e s l a b l i s h e d a u f l t o rr e c o m m e n d e dc o e f f i c i e n tt a b l eo ff l o wu n d e rv a 讹i x , x l u a i o nc o n d 菇o n s , c a l c u l a t i o n f o r m u l a e o f f i r a m g f i r ms e c t i o n d i m e n s i t a b l e s o f f l i r t i n g s y s t e m , t y p e s o f r i m s y s m n , i x o l x l r l i o n - m e t h o d d e s i g nt a b l eo f r i s e rs y s m mo f t h ef i r s tt r a c a rc o l i dk w s e i y a t s um o m t gl i n e 1 1 呻s m a y 证g r r a t h e m m i c s 删o f 甸h 唱d 由i o f 矗1 1 吨咖0 f 廿t f 破1 h 曲r c n l i d k w s e , y a t s u m o l d i n g i 打b c l a 盘帅罂柚d 锄由归1 1 9 锄i 曜掣缸避跚吐盯吲制褂日d o m 口躬吐o f m 血瞎d e s 建皿o f 皿吨毋咖l o f 吐l e f h s t t 脚咖魄瑚k w s e i y a t s u m o l d i n g i k j e f l t a t c o u l d b e a p p l i e d t o p r o d u c t i o n i r a c t i c e c l a s s i f y i n ga n d a b 商瞎t e d m i c a lp a r a m e t e r so f 倒i i 瞎s y s t m l , t y p e s o ff e e d h l gs y s - m m t y p e s o f r i s 日a n d 出面m 印如t a b l e s o f r i s e r h a db e e n 酎丘l l a 山妇l f o m m l a eo f 曲血l l 国孕t i m e , r o d 融曲毽i e d e d 姆咖曲罄印甲m 啪碰6 c 击戗| i | 0 1 0 9 y w 罄v a i j d 删0 1 1 廿e 1 7 s t t r e m o r 西安理工大学硕士学位论文 c o l t d k w s e i y a t s u m o l d i n g l i n e s m d y i r g m a t h e m a t i c s m o d e l o f f 踟吨0 f 棚i i 】g 掣虹m o f 恤f i 嘎 t r a c t o rc o l 衄k ws e y a t s um o l d i n gi i n e ，a 删y m ge f f e c to f f l o w - e f f e c to nf e e d i n go f f i l l 幢s y s t e m a n dr e c o m m e n d 噬f i o u , - - e f f e c tc o e f f i c i e n ta l l t h o rb r o t 蝉a tf o r w a r dd e s i g nd o c u m e n bo f f e e d i n gd e s i 印o f f i j i n g 咖b e 吨r e g 州a s r i s e r f i n a l y - 盈m m d e d u c e d 句i i l l g a n d f e e d i n g i n t e g r a t i o n d e s i g n d o c u m e n t s o f t h e f i r s t t r a c t o r c o l t d k w s e i y a t s u m o l d i n g l i n e a u t h o r t o o k p r o d u c t i o n t e s t o f f f t i s d o c u m e n t s o f a n d o u t c o m e i n f o r m e d t h a t l h e s e d o c u m e n t s c o u l d b e a p p l i e dt op r o d u c t i o np r a c t i c e k e yw o r d s ：k ws e n 0 t s um o l d i n gl i n ef i l l i n go f k o nc a s t i n gf e e d i n go f i r o nc a s t i n g f e e d i n gs y s t e ma sr i s e r 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 1 1 1 前言 随着我国制造业的发展，制造技7 f i 及产品质量的不断提高，对铸造业的水平和 要求也日益提高。自世纪6 0 年代以来，高压造型线越来越广泛的应用于机械行业 铸铁件大批量生产中，其特点是高度集成化、自动化生产，高的生产效率和低的生 产成本，高紧实率铸型使铸件获得高的尺寸精确度和表面糟吉度。其中静压造型线 由于其兼有气冲造型和高压多触头造型的优点，通过改变静压时间，提高或刚瞄 压压力，可以适应各种形状和材料的铸件，因而可以用于生产薄壁、尺寸精度高、 表面光洁、形状复杂的铸件，有效地提高铸件质量，得到广泛的应用。 铸铁件浇注和补缩技术直接影响铸件的质量，与高水平的铸件生产方法相适应 的是要有更完善的技术体系来保证；因而如何设计出更科学合理的浇注和补缩系 统，把气孔、渣孔、应力、变形、裂纹、缩松、缩孔等缺陷减少到最f 邸艮度是铸造 工作者长期以来致力于研究的重要内容。为此，应用大孔出流理论和均衡凝固技术， 通过对浇注和补缩系统及其参数进行分析研究，结合静压线生产实际情况，建立浇 注和补缩的工艺设计体化文件，为实际生产提供依据，具有重要的实用价值。 1 1 2 课题来源 中国第拖拉机股份有限公司第铸铁厂是生产拖拉机零件的铸造专业厂。其 九五技改项目，投资近亿元人民币对铁厂进行了大规模的改造。 造型工部引进了德国k w 公司的静压造型线( 砂箱尺寸l5 0 0 1 2 0 0 x4 5 0 5 0 0 皿) ，该线是目前国内最大的铸铁件湿砂型生产线，具前别竖己9 | 绰代国际先进水 平。 砂处理工部引进德国l 州公司的双转子混砂机，双盘冷却器和水分自动控制系 统等。 熔化工部引进美国应达公司l o t 无芯变频电炉，与冲天炉双联熔炼。 铜i 芯工部安装了条国产啊唧酣咖旨自硬渺生产线，引进1 2 嘎冷矗盒审步笛中心。 西安理工大学硕士学位论主 主要产品为履带拖拉机、推土机、轮式拖拉机、汽车、工程机械等系列产品的 灰铸铁和球墨n - f c d 牛- ；铸件重量5 0 5 0 0 k g ，年生产能力2 0 0 0 0 t 。 第铸铁厂生产批量较大，铸件质量比铰稳定，技术基本定型有一定的可 靠性和实用性，代表了国内的较高水平。但现有的浇注和补缩设计也有一些不足 之处，存在的主要问题是：设计参数取值范围宽，很大程良上取决于设计者的经 验；充型压头和冒口设计等不能定量计算，人为的经验l 生占主导地位；一个成熟 的浇注和补缩工艺方案需要反复调试来确定，造成人力和物力的浪费，同时也使 得生产工期较长，使得新产品试持4 的周期延长。通过对一拖k v v 静压造型线现有 的浇注和补缩工艺的统计研究，认为： ( 1 ) 实际应用中浇注系统类型复杂多样，各单元流量系数的确定仍然是没有得 到很好解决的问题。 ( 2 ) 设计的强；主= 速度与生产剽牛下所允许的实际浇注速度不相适应，实测的浇 注时间总比原设计的浇注时 司要长1 5 3 0 ，生产中需多次调整加大阻流截面。 以1 2 0 4 3 8 1 0 i 传动箱壳体为例，设计的浇注时问为2 6s _ 实测则为3 2 s 实测时间比原 浇注时间长6 s ，偏差( 3 2 - - 2 6 ) 理6 = 1 9 2 。 ( 3 ) 用浇注系统阻流截面的比例来判断是否充i 青，以期获得良好的挡渣能力， 但用此前去无法定量地确定浇注系统的挡渣能力。 ( 4 ) 判断浇注系统好与坏的标准仅是依靠废品率的两低。 ( 5 ) 补缩系统主要沿用了类似铸钢件的比例法，在方式上，体现补缩设计中的 “热节大冒口”的传统，在补缩不能达到要求时就加大冒口，生产中使用的冒口都 是经过多次调试确定的，工艺出品率捌毛且增加模具的调试期。 ( 6 ) 产品设计水平和技术的不断提高，生产设备的更新，市场竞争中耐氏成本 的需要，使得在大批量流水生产的铸铁件高压造型中，在保证铸件质量的前提下， 可以考虑采用浇注系统兼冒g l 、不专设冒口的无冒口铸造工艺，以提高工艺出品率 和刚自戎本。因此研究拖k w 静压线的浇注系统补缩模型，确定无冒口铸造的实 现条件，建立浇注系统补缩设计的实用文件具有非常重要的实用价值。 ( 7 ) 虽然现有自镌稿豸统和补i 技术无例外的都生产出了合格的铸件，但 绪论 同时应该看到一个成熟的工艺方案的确定都是长时间的调试和多次反复修改的结 果，伴随可观的财力和物力的消耗。从个嘎悟i 说明： 1 ) 现有的浇注和补缩技术具有较强的经验性，不能对型板的浇注和补缩工 艺进行确切的评估，只能通过生产出的铸件的质量来推测和评价其浇注和补缩质 量的优劣。 2 ) 现有的浇注和补缩技术有待完善和补充。 因此研究拖k w 静压造型线，对各设计参数进行统计分析，研究浇注系统 设计的数学模型，建立能稳定使用的参数表、浇注时间计算公式和分类推荐的流 量系数表，同时建立浇注系统设计的体化文件；研究拖刚静压线的浇注系 统补缩设计的数学模型，推荐设计参数，建立拖k 静压线的浇注系统补缩设 b l - 文f f - ，建立浇注系统和冒口联合补缩的设计文件，具有一定的理论和实用价值。 1 2 铸铁件浇注和补缩技术的研究现状 从2 0 世纪加年代的h w d 妇哦开始研究浇注系统，直到3 哞代末，bd k m 依据水力学原理，才建立了浇注系统设计的数学模型：i b 2 1 e ：l 一“y p - 1 , = g n pg - 1 ) 奠定了浇注系统设计的理论基础。 2 0 世纪4 0 年代5 0 年代是研究浇注系统实用化最活跃的时期。具有代表性的研究 一一籼t c = 谍k c 1 阜) 2 ( 1 - 2 ) 喝 割2 喝鸭2 c t 。， 奠定了补缩系统设计的理论基础。w 弧商出步推动了这理论的实用化进程。【l 】 6 0 年代以后，蚺b 卿为代表的关于灰铸铁和球墨铸铁件凝固补缩的研究和实 践，使得铸铁件的补缩自成体系，从传统的铸钢件补缩技术体系中分离出来。 西安理工走学硕士学住论文 所以说嘶】的浇注系统最小断面计算公式，0 i | 磕【玎韵凝固模数理论和蕊- 铸铁件凝固补缩理论与技术，是现代铸铁件的浇注和补缩技术的理论基础。 1 2 1 浇注技术的研究现状 优良的浇注系统其设计原则不随铸造合金种类不同而不同。( 3 铉些基本原贝u 主 要有： ( 1 ) 及时地把液态金属充填 铸型中。 ( 2 ) 在充填过程中金属液通过浇注系统各单元进入型腔时应平稳把吸气、氧 化等不利因素降低到最小限度。 ( 3 ) 有良好的挡渣能力。 ( 4 ) 控制铸型内合理的温度分布，有利于补缩，减少缩松等缺陷。 浇注系统的研究和实践大致可分为以下4 个方面： a 浇注时间t 的选择 浇注时间t 选择受铸型种类、铸件结构、金属液的氧化特性、合金的凝固特性、 生产条件等多方面因素的制约，具有很强的经验| 生h 。魏兵”睹出当合会成分、浇注 温度、铸件重量和壁覃、铸型材料、浇注系统等工艺参数确定后，对确定的铸件来 说，一定对应一个最佳的浇注时闯= ( 1 ) 允许最长浇注时间是铸件凝固时间的部分： ( 2 ) 浇注时间是铸件重量的函数： ( 3 ) 为防止铸件产生瞳珊缺陷，最长浇注时间应是铸型上表面对金属液热烘烤 所能承受的时间。 ( 4 ) 灰铸铁和球墨铸铁件的浇注时间与浇注系统的通时间( 称为浇注系统的补 缩时间) ，与铸件的补缩有关。 ( 5 ) 为防止球墨铸铁的球化衰退，则一般采甩“快速浇注”；为防止铸型浇注 后口仓火和侵入性气孔的产生，特别是浇注后期充填平面部分，应使金属压头的增加 速度大于型芯气体压力的增长速度。 已有的关于合理浇注时间的计算公式，可归纳为两类：类以传热学为基础， 把浇注时间作为铸件凝固时间的部分来考虑。另类则是生产经验的总结，侧重 绪论 于铸件的重量和结构，用统计的方法给出浇注时间的计算公式。资料阱睛 供了如下 计算j 西式： f = s 托( 1 - 4 ) 式中：e 蒋件重量( k g ) s 时间系数，取值见表1 1 表1 1 时间系数s 取值表 qi ! 蛐i 翌坚i 鳖l 墅鳖垫i至! 壁! 坠墼i 塾! 塑j s1 81 6 j 1 41 31 21 1 资料f 4 的研究有如下类似结论： f = 。g 七矗g ( 1 - 5 ) 式中：f i 、龟为时间系数，取值见表i 2 表1 2 时间系数6 、龟取值表 快浇中速缓浇 石五石厶石彦 0 6 5 1o 1 11 ，2 l 1 鼍 资料阁的研究也有如下结论：。 沁 ，：八届+ 牿6 ) ( 1 6 ) 式中：f _ 耐间系数， 灰铁：f 三1 球铁：f - - - - - 0 6 0 8 占铸件的主要壁厚( m ) b 流量系数的选择 在呕s a n 公式中u 的物理意义是水力学意义上的断面收缩系数l i r 和能量损耗系 数k 的复合参数，即流量系数。其完整的表达式为。司： = y 式中：i l r 断面收缩系数 f 掣詈+ 矗 ( 1 7 ) 西安理工大学硕士学位论文 b 厂_ 液面大气压力( k g c r r ? ) p f 一内浇口出流压力( k g c m 2 ) y 金属液密度( k g 血而 一内浇口的几何压头( c m ) g _ 重力加速度( c r a s 2 ) k 总阻力损失压头( c r n ) v 浇口杯中金属液平均流速( c a t s ) 嘶1 公式中u 的取值范围在( n l 0 8 ) ，围绕u 的选择问题，已有的研究体现 在2 个方耐8 1 ： ( 1 ) 根据合金、铸型种类、浇注温度、充型压力等因素给出的经验陛范围。 ( 2 ) 根据水力模拟的测定，获得相应浇口比和浇注系统结构类型的流量系数 p 。 常罔的流量系数表如表卜3 聃 表l - 3常用铸铁件流量系数取值表 铸型阻力 铸型利：类 口 小 湿型 0 3 5n4 20 5 0 干型0 4 1 0z 蝎 06 。 c 挡渣结构的优化 浇注系统是否具有挡渣、集渣能力是评价一个浇注系统技a 顿量的重要内容。 基于这一点考虑，优化主要体现在以下两方面： ( 1 ) 浇注系统各单元的搭接结构及其形状对挡渣、集渣能力的影响；1 1 - j 1 8 - i ( 2 ) 单独设立集渣、挡渣的装置和结构。i t - z 1 1 3 - t 4 d 平稳充满式流动 ( 1 ) 以浇口比是否封闭判断是否充满，以浇口比是否开放判断流动是否平稳： 浇繇统各单元在充画蔓程中是否有压力存在，判断流动是否充 茜，以出流压头来 判断流动是否平稳。1 瑚似1 1 ( 2 ) 应用浇；空系统大孔出流理论的充填规律来判断。考虑浇注系统各单元截面 绪论 比变化，引起实际出流压头的变化，建立新的充满判据，因此更接近于实际。旧 e 经典的浇注系统计算公式 研究表明，过热金属液在浇注系统中的流动基本符合流体力学原理，这是浇注 系统设计的理论基础。据此，把浇注系缪蒲作是封闭的液体翮詹道，内浇口作为 管嘴出流，建立浇口杯液面到内浇口处的伯努利方程，经简化可得到铸蹦牛浇注系 统最小断面计算公式： 氏一 坠， “0 , 3 1 u 批 ( 1 - 8 ) 式中：流经f 矗截面的金属液总重量( 魄) ； z 浇注时间( 秒) ： u 流量系数； 随属液平均静压头( a f i ) ： f 啬浇注系统最小截面面积( a n 2 ) ； 按此公式计算浇注系统截面尺寸存在的问题是：啃的影响因素较多，选取范围 较大，难以精确确定：内浇口面积计算值偏小，生产中一般都需要不同程度的额外 加大予以修正；评价浇注系统设计好与坏的标准仅是依据废品率的高低。 对于些结构比较复杂的浇注系统如阶梯式浇注系统、垂直分型浇注系统等也 有专门的研究，但都具有一定的局限性。 f 浇注系统大孔出流理赵6 1 近年来西安理工大学对浇注系统的充填规律进行比较深入研究后发现，传统设 计理论中把内浇口的实际出流压头认为是“浇口杯液面到内浇口中心的垂直距离” h ，该值是固定不变的：和托利拆利小孔出流规律样，内浇口出流速度和其截面 积大小无关，即：v = 2 9 汀，这是不符合铸造生产实际的，理由如下： ( 1 ) 铸造中的浇注系续湘水力学的小孔出流不同，直浇道、横浇道和内浇谶 面积比值多在1 - - 3 的范围内，最大值很少超过5 ，属于同数量级；根据连续流动定 律，直浇道、横浇道和内浇道流速也属同数量级，它们之间的相互影响不可以忽 略不计。不能用浇口杯液面到内浇口中心的垂直距离作为内浇口出流的静压头。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 浇注系统各单元直角连接，流殴转向突然，消能作用强烈，描述自睦! 变化 特征的伯努利方程难以精确求解。 ( 3 ) 砂型透气，浇注系统中不可能出现负压充满现象。 根据水力模拟试验和砂型铁水浇注观测发现，浇注系统截面 嘲q 变化是引起 内浇口实际出流压头、速度和流量变化的主要原因。回归分析表明，它们之间存在 良好的数学对应关系，是设计浇繇统截面尺寸的一个重要工艺参数。据此把各单 元截面积比值变化对充填动态参数有明显影响的浇注系统内浇口出流称为大孔出 流。划分大孔出流和小孔出流的界限黾直浇口对内浇口截面的比值巴茬k 5 ，则为4 - y l 出流； 基于砂型浇注系统的流向突变性，型壁逮气性和目桩系统各单元截面积的近 以 性的认识，通过水力模拟和生产验证，提出了浇注系统大孔出流理论；提出截面近 似性和流量突变性是导致随如公式中流量系数在大范围内波动的根本原因；研究提 出了浇口栎国内3 单元、浇口杯鼢内绰元等浇注系统的充填数学模型，把由于 流向突变引起的能量损耗，用浇注系统单元的截面比来描述，从嘧1 公式中的值 中分离出来使流量系数“成为与浇注系统类型结构相对独立的设计参数，稳定在 更集中的范围。 a 浇口杯值内3 单元充嗔数学模型 内浇口出流压头h 苦州 ( 1 玛) l + 七。 l l 一? 式中：k 直浇道和内浇道的有效截面比 h 浇口杯液面到内浇道电心距离 “广直浇道流量系数； pf 一内浇道流量系数； 直浇口有效压头( h 丑) 内浇口出流流速 t ：盟量 p ：e 一矗) = 丽1 日 ( 1 1 0 ) 绪论 直挠口出流流速v v 2 = 2 劝 压面丽 ( 1 1 2 ) 内浇口出崭瞰b 岛= 蒜。 m m 式中：k 广直浇道和横浇道的有效截面比，a ，：世 2 ，2 k _ 直浇道和内浇道的有效截面比，k ：= ! ! l 皂 1 3 屯 p 广直浇道流量系数： u 厂横浇道流量系数： u 广一内浇道流量系数； 直浇道的有效压头叫d 平均压头h p 式中：p 内浇道以e 型腔高度( o n ) ； c _ 前等件型腔总高度( 血1 ) ； h r 内浇道实际压头( 锄) ： 因此计算内浇道截面积f 3 的公式为： 内浇道出滴薪速u 2 面毒 v 3 = 2 北 9 h ( 1 一1 4 ) (1-15) ( 1 - 1 6 ) ( 卜1 7 ) ( 1 - 1 8 ) 忐志 卜 卜 = 如 玩 脚 一 一 魄 西安理工大学硕士学位论文 直浇道流速v h v ：= 、医巧f 两( i - 1 9 ) v ，= 应而两了( 1 - 2 0 ) h = =l ：二d h d 盘 i h o 磐 i 一一一! ；。一一l =一 j 图1 13 单元浇注系统模型图1 24 单元浇注系统模型 表l - 5 大孔出流啦的取值范围 、项目 实际应用推荐的流量系数斗 单元 2 单元3 单元非对称垂直分型 直浇道p ， 0 5 9 n 6 20 6 4 o _ 6 8 n 7 6 o 7 9 0 4 横浇道i a ! o 6 o ( 薅q 6 6 0 7 内浇道1 t ： 0 5 0 o 5 80 5 o 5 8q 6 3 一- 0 7 0 4 5 1 2 2 补缩技术的硼亨e 睨状 通过外部补缩获得健全铸件是长期以来铸造生产中采用的有效手段。伴随这一 实践过程和人们认识的深化，补缩技术也在不断进步。建立在0 幽澡固模数理 论基础上，比较成熟的补缩技术有基。于铸钢件的生产实践发展起来的w 籼砷勺模 数法，j b c a i n e 的双曲线图解法、c ma 蛔璐，h f 酬终了模数法、r w h e f f e 的 缩管法、r _ , x a r a 的数学近似法。6 0 年代以前铸铁件的补缩设计，原则上是沿用和承 袭了上述补缩技术。印年代以后，随着孕育铸铁、球墨铸铁等高性能铸铁的开发和 普及，使人们对铸铁件区别于铸钢的独特凝固特性的认识的不断深入，岫( 删为 代表的共晶石墨化膨胀压力的利用和控制理论，奠定了现代铸铁件补缩技术的理论 基础。 ai ( a r y 的铸铁件补缩技术体系”1 1 n 绪论 ( 1 ) 直接实用冒口数学模型 r - 1 1 5 0 帆2 帆。赢( 1 - 2 1 ) 式中：r 充型完毕后的型内铁水温度( ) m _ 关键模数( 锄) m r 冒口颈淡魄 ( 2 ) 控制压力冒口数学模型 m ：m 1 4 t p - 1 15 0 + x - 4 2 5 0 3 0 一1 1 5 0 + f - , 2 5 0 ( 1 - 2 2 ) 式中：m 补缩系统的模数； r 浇注温度( ) ： x 铸件关键段的石墨嘭胀压力：达到允许的极限时，铸件周相所占的比例； 卜补缩系统达到液态传输极限时，补缩系统中固相所占比例。 ( 3 ) 传统大冒口 ( 4 ) 浇注系统当冒口 ( 5 ) 无冒口铸造 b 其他的补缩技术的研究和实践 主要体现在下述4 个方面： ( 1 ) 冒口的类型和结构参数的研究，集中体现了冒口颈短为特点的补缩设计， 具有较强的实用性。 ( 2 ) 研究冒口的补缩距离，以确定冒口的卟数。旧i 姒己有的研究报适来看， 计算方法有多种，计算结果出入很大。己有的结论表明，铸铁件的补缩距离，不 仅与合金成分冶金质量有关，还与铸件的结构、铸型硬度有关。 ( 3 ) 根据k , m a y 的补缩思想和数学模型，进行实用性和验证睦研究。所有这 些研究共同反映出：铸铁件的补缩设计，不仅与冶金质量、铸型刚性、浇注温度有 关，更主要地与铸件的结构形状有关。唧q i ：薪帕许f 结构形状的显著影响，导致冒 口设计在大范围内波动，同时也说明姆的补缩数学渤于实际生产还有一 定经验性。见表l - 5 。 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 3k a r s 可补缩技术体系示意图 表1 - 5 补缩设计对比表 铸件模数( c m )m ：m n研究者 1 ：( 0 6 1 0 ) ：( 0 4 - - - 0 5 ) k 硪鄹 0 4 1 ：1 2 ：( 0 5 n 国 v k c x d i c ，n p 血咀 0 a 如1 1 ：( l 4 4 2 2 ) ：( o 4 4 o 7 2 ) 1 2 5 1 8 1 ：( 0 8 1 1 ) ：( 0 2 - 0 4 ) 33 2 1 2 _ 4 1 ：( 0 8 - - - 0 9 3 ) ：f 0 1 8 - - 0 2 6 ) 2 伊3 o 1 ：( 1 7 1 8 ) ：( 0 2 8 - - - 0 3 3 ) ( 4 ) 根据q 啪曲叫的凝固模数理论，结合铸件生产实践提出的冒口设计方 法和数学模型。具有代表性的是w s 蹦陆，heb 曲叩提出的形状因子法和 绪论 r n s 珂，v m d 】蛐d h d l 双曲线冒口设计方法以及近年发展起来的三次方程 求解法。其共同自精点是研究了冒口在补缩过程中的动态散热问题( 补缩量的损 失和凝固模数的减小) ，主要用于铸钢件。 c - 铸铁僻均衡凝固及冒口设计方法。1 4 3 铁水冷却要产生体积收缩，凝固时析出石墨要产生体积鼢长，膨胀可以抵消 部分收缩，均衡凝固就是利用收缩和膨胀的动态叠加，采取工艺措施，使单位 时间的收缩与补缩、收缩和膨胀按比例进行的一种凝固原则。 ( 1 ) 铸铁件均衡凝固和有限补缩 1 ) 收缩量的不确定性 铸铁件的收缩值除与合金的化学成分、浇注温度有关外，还强烈的依赖冷却 速度：铸件的冷却速度和铸件的热物理参数有关，通常主要取决于铸件的结构和 壁厚。铸件的收缩值不是材料上的常数，随化学成分、铸件结构和铸件工艺结构 的变化而变化，不能根据合金的种类或牌号给出个确定的收缩值，更不能眼据 一些资料所提供的铸铁合金的收缩值设计铸铁件的冒口尺寸。铸件都有其特定的 大小、形状和结构，进而影响到实际的冷却速度和温度分布，也影响到同一时刻 不同部位的收缩与膨胀叠加睛况，即石墨化膨胀的利用程度。这样，从收缩和膨 胀；5 量、收缩和膨胀时间进程e 的差异，就构成了同一种合盒；浇注不同铸件，对 应不同收缩值的情况。在般砂型铸造的条件下，越是薄小件，收缩值越大，越 要强调补缩；越是厚大件，收缩有减小的趋势，冒口可适当减小或不放冒1 ：3 ，实 现小冒口或无冒口镣壹。 2 ) 收缩和膨胀的动态叠加 卟喂徘陶y m 圣唬的冷壬l 明渡是不同的，潜壁部分比厚壁部分泠壬f i 速度- 大， 铸件的棱角边缘部分比电瞄夸钮速度大。个镐群碴凝固的某时刻，有些部分 在l i 受缩，有些部分已进入石墨化嘭胀，时间是同时的，而铁液又是相通的。这样 膨胀就可以和收缩叠加相抵，铸件表现出来的收缩值实际e 是胀缩相抵的净结果， 其原理如图卜4 所示。图中a 为型腔充填开始点，进入型腔的铁液温度随之下降， 发生i 嘲自，收缩量随充填体积的增加而增大：同时受铸型的激冷作用，铁液凝周 西安理工大学硕士学位论文 并开始石墨化膨胀。b 为型腔充填完毕，整体温度下降速率达到最大值。c 为铸 件凝固结束时刻点。d 为石墨化嘭胀速率最大值。曲边三角形a b c 为铸件的总收 缩，为液态收缩和凝固收缩的和。曲边三角形a d c 为铸件的石墨化膨胀。曲边三 角形a b p 为铸件胀缩相抵的净收缩，称为铸件的表观收缩，是铸件表现出来能 被测量到的l 幽自。a c 为铸件的凝固时间。a p 为铸件的表观收缩时间，即铸件存 图1 - 4 铸铁件收缩和膨胀动态叠加图 在自补不足的差额时间，也是冒口外部补缩时间。p 为均衡点，对应的时间是铸 件的收缩量等于膨胀量的时间，此时表观收缩为零，即冒口补缩终止时间。a p a c 为铸件收缩时间分数，由于存在石墨化膨胀，铸件收缩时间只占凝固时l 司的部 分。 3 ) 球墨铸铁小件 球墨铸铁小件凝固过程中，由于球化剂中镁、铈等元素阻碍石墨生长，使初 生石墨和共晶石墨析出生长的温度下降，石墨生长速度缓慢。球墨铸铁共晶反应 的过冷度明显大于普通的灰铸铁。石墨生长达至卜定的尺寸后，被奥氏体所包围， 石墨的进一步生长受到碳在奥氏体中扩散的制约，继续生长受到限制，过冷度进 一步加大，必然会产生树枝晶。i 擀生的额外的液态收缩和球墨铸铁小体冷却 速度大而产生的树枝晶凝固收缩之和，就加大了球墨铸铁小件的收缩倾向。 球墨铸铁d q q - 凝固初期收缩来的集中，石墨化膨胀被延迟。尽管球墨铸铁有 1 4 绪论 较高的碳当量( 般c e = 4 3 也7 ) ，按计算应该有较大的石墨化膨胀值，但 由于胀缩的分离，石墨化膨胀不能利用于凝固的初、中期的自补缩，故球墨铸铁 小件还要依靠相对较大的外部补缩( 依靠浇口或冒口补缩) 。另外球墨铸铁小件在 表观收缩阶段过多的从浇口或冒口中吸入了铁液，当大量石墨化膨胀到床时，一 部分补偿了同时进行的收缩，剩余的部分只能挤压型壁，产生型腔扩大。因此， 如果在凝固早期补缩不足，就会产生缩孔、缩松等缺陷，同时又有型腔扩大的现 象。 球墨铸铁小件要强调浇口或冒口补缩，但浇口或冒口却没有必要晚于铸件凝 固，它的石墨化膨胀利用程度低，但在中后期也还是存在的。 4 ) 灰铸锣；和中、大球墨铸铁件 灰铸铁中片状石墨的生长是不受抑制的共生生长，形核和生长温度之间的差 别小。和球墨铸铁相比过冷度小，凝固模式更趋向于逐层凝固，石墨膨胀相对提 前，自补缩利用程度高。球墨铸铁中、大伴冷却速度较小，收缩分散，石墨化膨 胀相对提前，有利于膨胀的早期叠加，可以采用浇口作冒口，或专设冒口进行外 部补缩。由于补缩时间只占铸件凝固时间的部分，冒口不必晚于铸件凝固，冒 口中用于补缩的体积也是有限的。 5 ) 提高铸型刚度，可以提高石墨化膨胀的利用程度 软的铸型由于铸铁的石墨化膨胀有部分消耗在型腔的扩大上，因而相对的减 少了石墨化嘭胀的体积；因此需要更大量的外部铁液来补缩铸件的收缩。 6 ) 铸铁件有限补缩 按照均衡凝固理论，灰铸铁和球墨铸铁( 简称铸铁件) 应该以石墨化膨胀和 浇注系统的后补缩为基础。铸件凝厨，在均衡凝固点p 之前，必须依靠浇口或冒 口爿醉h 充满件自卒嗡刁刮是的差额；蛩燃固点p ，刁嘈冒口乘蟛割牛是否相通，冒 口的补缩作用终止：p 点以后，铸件进入自补缩阶段，只要不发生单位时间内收 缩大于膨胀的情况，铸件就不会产生i 嘭宿缺陷。铸铁件表燃时间只占总凝固 时间的部分，为此铸铁件的冒口不必晚于铸件凝固，它的补缩量和丰h 缩时间都 是有限的，称为有限补缩。 西安理工大学硕士学住论文 7 ) 铸铁件收缩速度的可变性 对于个薄壁大件，尽管其收缩量较大，但由于薄壁降温快，收缩来的集中， 收缩速度大，收缩时间短。在浇注过程中，后浇入的铁液对先浇入的铁液的补缩 和浇完之后内浇道短时间的通畅，就可以实现对铸件的全部补缩，浇注系统起冒 口作用。如果要专设冒口，应采用大的冒口体和小的冒口颈，以便和较大的收缩 量、短的收缩时间相适应。 对于厚大的铸铁件，铸件整蝴缓慢，单位时间降温少，收缩时间长，收 缩相对分散，单位时间的收缩和膨胀容易相抵。使铸件整体表现出来的收缩值很 小，甚至为零，所以厚大件可以用小冒口或无冒口铸i 笠工艺。 因此，铸铁小件，特别是厚实的小件要i 蹶固初期的外部补缩。铸铁大件 特别是厚大件则要充分利用石墨化嘭胀的自补缩。 8 ) 孕育铸铁件的收缩特性和补缩特点【翌】 经过孕育的铸铁件，由于加入了促进石墨化元素，造成大量外来的石墨结晶 核心，改变了原铁水依靠过冷而自发形核的凝固条件，使石墨的共晶转变在较高 的温度下就开始了，大大9 睾 氐了铁水的过冷度。如图4 _ n 所示。 1 2 8 0 1 2 6 。 1 2 4 0 1 2 2 0 1 2 0 0 蓦1 1 8 0 1 1 1 1 4 0 1 1 2 0 1 1 0 0 s c 灰铸铵试栏 嘧 ( 2 5 m m 壁厚) i ，1 4 孕育 。i 户义镯育 稳茸酯温度 t2 么一 介稳定平衡温度 图1 - 5 孕育和未孕育实测的液相线和固相线温度随共晶度变化图 由两种分布状态的动态勤图1 石可知：孕育处理后，铁液浇 铸型，收缩 绪论 速度加快，鼢i 时间变短：并且，由于孕育剂强烈的石墨化作用，使共晶石墨化 膨涨区域出现臼勺时阃审是前，铸件收缩与膨胀来的较集中，铸件进 均衡凝固的时 图l - 6 孕育处理对铸件收缩和膨胀动态叠加图的影响 问较早而需要浇口或冒口补缩的时间却变得较短，因此孕育铸铁件的补缩，只需 解抉磷注完毕短时间内由于铸型测鸿镛件本身自补不足的差额。毗，需要较小 的冒口舸以实j 瓣惮商或更易采用浇注着i 统 卜暂自，即实现可_ 戢冒口的无冒口铸 造。 ( 2 ) 铸铁件冒口设计方法 1 ) 收缩模数法冒口设计一“3 f ”法： m r = 氕k 氕。m c 式中：m r 冒口体模数( 锄) f 广冒口平衡系数，般取：f p 1 2 。 如叫i 殳l 揪因数，f 2 刮足，p c l 院缩时间分数 卜冒口压力系数，f i = 1 1 1 5 。 m 踌悄檄，列事冒口卒h 缩的情况，是指冒口 旧醣确囊盖的那商够抟等件 的模数。 西安理工大学硕士学位论文 2 ) 分段比例法 分段比例法设计是工程应用中简单直观的设计方法，经验性强，主要应用 于系列产品的类比设计。根据均衡凝固关于铸铁件收缩量的不确定性，以及由此 带来的对补缩的不同要求，通过对大量铸件的统计研究，对铸件大小、厚薄、疏 密分类给出不同的比例因数，更加符合铸件的收缩和补缩特性。分段比例法冒口 计算方法如下： 小件：d = ( 1 2 2 0 ) 6 ； h = ( 1 0 1 5 ) d ： 中件：d = ( 1 0 1 2 ) 6 ； h = ( 1 2 1 8 ) d ： 大件：d = ( n 6 1 _ o ) 6 ； h = ( 1 5 2 0 ) d ： 式中：p 一冒口直径或冒口内切圆直径： 卜冒口体高度； 6 铸件壁厚或热节圆直径。 比洌因数还要根据铸件质量周界商的大小调整，稀疏体铸件比例因数取上限， 密实体铸件比咧因数取下限。 1 3 论文的研究思路 在大孔出流充填、均衡凝固补缩的研究基础上，把一拖b 研静压造型线上正常 生产的铸件的浇注补缩工艺方案的生产结果视为前期试验的数据，进行生产统计分 析，得出适合陋硎静压造型线生产实际的流量系数、浇注时间公式、浇注系统 截面尺寸表和冒口设计序列表等；再经过基础研究和有目的的生商式验，建立拖 k w 静压造型线实用的浇注和补缩的数学模型，得出适合拖b 静压线实际使用的 浇注系统和补缩系统设计方法及其有关参数，最后，落实到一拖f 静压造型线的 生产实际，形成完整的浇注和补缩一体化技术文件。 绪论 1 4 论文的研究内容和目标 1 u 研究内容 ( 1 ) 韧萌蠲繇数与浇注系统结构参数之间的关系，通过统计和分类研究， 推荐拖肼静压造型线不同生产条件的流量系数表；研究浇注时间和铸件重量、 铸件结构等因素之间的关系，总结出既考虑铸件重量又考虑铸件结构的i 营台 瓴 k w 静压造型线生产实际的铸件浇注时间公式。 ( 2 ) 研究拖k w 静压造型线浇注系统和补缩系统结构，得出适合拖k w 静压造型线使用的浇注系统和补缩设计的实用的参数序列表。 ( 3 ) 应用浇注系统大孔出流理论，研究拖k w 静压造型线实际生产条件 下的浇注系统充填规律，建立拖瑚静压线浇主系统充填设计的技术文件，可用 于对拖脚静压线铸件的工艺评估和萤努瞅计。 ( 4 ) 研究浇注系统在锚铁件补缩过程中的作用，建立拖k w 静压线的浇 注系统补辙计的数学模型，推荐设计参数，建立拖k w 静压线浇注系统补缩 设计实用文件。 ( 5 ) 建立拖k w 静压线的浇注和补缩设计的实用文件。 ( 6 ) 浇注和补缩体化设计的生产验证。 1 出2 研究目的 ( 1 ) 研究唧静压造型线的浇注和补缩技术的数学模型；进行工艺参数定量 计算的工程应用研究，为c a d 的开发提供必要的基础。 ( 2 ) 提高工艺出品率，提高工艺设计的可靠性和降低铸件废品率。针对k 静压造型线的浇注和补缩技术的实际，提出较完整的浇注和补缩的技术文件，达 到生产实用的程度。 1 5 小结 ( 1 ) 选题具有比较重要的实际应用价值，而且和拖k w 静压线的生产实际 相结合，具有明确的工程应用背景。 ( 2 ) 目前均衡凝固理论在高压造型线的直用方面，仍处在聚麴酌宅阶段，有 待建立高压造型线浇注、补缩实用的数学模型。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 研究拖k 静压线的浇注系统充填和补缩的数学模型以及浇注系统和 冒口联合补缩模型，建立浇注和补缩一体化工艺文件，具有直接实用价值。 2 0 一拖k w 静压线浇注系统研究 2 一拖k w 静压造型线浇注系统研究 2 1 一拖k w 静压线浇注系统生产统计研究 生产统计的主要对象是第一拖拉机股份有限公司第一铸铁厂k w 静压造型 线、球铁气冲线、第二铸铁厂高压造型线铸铁件的浇注工艺。 2 1 1 浇注系统类型统计 一拖k w 静压线的浇注系统类犁基本匕都是浇口杯k w 横内4 单元浇滓系 统。它们的不同之处在于横浇口的形状、 种铸件都有所不同。 结构和内浇口的形状、个数和位置对每 一拖哪静压造型线砂箱尺寸大，充型压 头大( 直浇道较高) ，横浇道采用搭接的方法 以利于挡渣和平稳流动，横浇口搭接处要放 置过滤网。出气- f h 年 j 浇口杯用铣7 j 铣出，由 于刀具在使用过程的不断整损，因此浇口杯 大小也有所波动。 蚓2 一l 拖kw 静压线阻流片示意幽 根据是否设蔑阻流片可分为：带阻流片的浇注系统和不带阻流片的浇注系统 2 类；阻流片为标准件，常用阻流片( 如图2 - 1 所示) 的主要参数见表2 一l 。根据 浇注系统各单元搭接结构可分为：如表2 - 2 和表2 - 3 所示分类：图2 - 2 和图2 - 3 为一拖阱静压线两种典型的浇注系统示意图，图22 为不带阻流片的浇注系统图， 图2 - 3 为最常用的带阻流片的浇注系统图。 表2 - 1 阻流片参数表 浇口杯直径 阻流截面积e f ( o i l2 ) 序号 ( 口1 1 ) 对称型单边型 1 巾4 51 3 31 0 6 2 中5 0】6 41 3 0 8 3 击5 51 9 81 5 8 4寸) 6 02 3 6 1 8 8 西安理工大学硕士学住论文 0巾6 52 7 6 2 2 1 6 由7 03 2 12 5 6 7 由7 53 6 82 9 4 8中8 04 1 83 3 5 图2 2 不带阻流片的浇注系统示意图图2 -