熔模铸造横浇道型浇注系统补缩系统设计

熔模铸造横浇道型浇注系统补缩系统设计

1浇口杯补缩系统直柱和横柱注水填充系统是两种辅助系统，用于熔模中的最广泛的两种注水系统。研究表明,直浇道型浇注补缩系统中浇口杯是比直浇道更为重要的提供补缩金属液的补缩源,由此开发了一种新的设计法——浇口杯补缩容量法。横浇道型浇注补缩系统的设计,传统方法是沿用直浇道型浇注补缩系统的设计计算,在直浇道计算的基础上进行一定的修正后作为横浇道的尺寸使用。因此实际上也是将横浇道作为提供补缩金属液的补缩源。但是我们对这类浇注系统的解剖发现,浇注系统中的补缩孔洞主要集中在浇口杯中(图1),表明浇口杯是比横浇道更为重要的提供补缩金属液的补缩源。由此,针对熔模铸造横浇道型浇注补缩系统,开发了基于浇口杯补缩的横浇道型浇注补缩系统设计的新方法。2浇注补缩通道设计基于浇口杯补缩的横浇道型浇注补缩系统设计的基本出发点是将浇口杯作为提供补缩金属液的补缩源,而把横浇道和内浇道作为浇注补缩通道。其各单元的尺寸确定如下。2.1计算热节部位的随机性以确定碳dc的计算内浇道尺寸的确定采用当量热节法。当内浇道的长度较小时,其截面的当量热节圆直径Dg为Dg=K⋅DC(1)Dg=Κ⋅DC(1)式中,DC为铸件热节部位的当量热节圆直径。当铸件热节部位的截面形状为矩形断面(a×b)时,DC可以由图2求得。反之,利用此图,由求得的内浇道的当量热节圆直径也可以求出相应的矩形内浇道的断面尺寸。K为质量系数,可由图3求得。2.2横浇道截面尺寸在亨金法中,横浇道和直浇道一样作为补缩源,因而比较粗大。而在本法中横浇道仅作为浇注补缩通道,在确保横浇道在整个补缩过程中通道畅通条件下,横浇道截面尺寸越小越好。过大的横浇道增加了自耗补缩,降低了铸件的工艺出品率。横浇道截面的当量热节圆直径DR按以下公式计算DR≥K1⋅Dg(2)DR≥Κ1⋅Dg(2)式中,K1为比例系数。K1与铸件合金材质及横浇道的长度、冷却条件等因素有关,合金的固液两相区越宽,K1越大;横浇道越长,凝固收缩时补缩金属流的沿程压力损失越大,K1也越大。考虑到横浇道不像直浇道那样处于铸件组的中心部位,散热速度相应地比直浇道快,因此建议K1取1.25。2.3体收缩率的确定基于浇口杯补缩的横浇道型浇注系统设计中,浇口杯被认为是最重要的补缩源,因此浇口杯必须能提供足够的金属液以补充凝固收缩的需要,同时在满足此条件下,浇口杯又应尽量取小值。即铸件组铸件总质量越大浇口杯越大,反之越小。在本法中建立了浇口杯许用铸件组铸件总质量表,而此表是在特定的横浇道和浇口杯形状、尺寸条件下得出的,表1所示为此特定的横浇道和浇口杯的尺寸规格。为了建立浇口杯大小与许用铸件组铸件总质量的关系表,必须建立相应的数学补缩模式。图4所示为理想的浇口杯补缩模式。但是实际解剖的浇口杯中的缩孔形状如图5所示,处于理想补缩锥孔和等壁厚锥孔之间,由此提出浇口杯许用铸件组铸件总质量Q的模式为Q=[kVH/ε−VF−VH(1−k)]ρ(3)Q=[kVΗ/ε-VF-VΗ(1-k)]ρ(3)式中VH——浇口杯中的补缩孔腔体积,取理想补缩锥孔和等壁厚锥孔的体积平均值,cm3VF——铸件刚凝固时横浇道和浇口杯四周已凝固的合金体积,cm3k——封皮系数,为浇口杯表面凝固产生的封皮所占空腔的比例,此处取0.8ε——合金的体收缩率,%ρ——合金密度,对于钢取7.8g/cm3由式(3)可知,不同合金材质的体收缩率不同,相应浇口杯和横浇道的许用铸件组铸件总质量也不同。对于钢,其体收缩率ε可由下式求得ε=1.9943+7.459wc−4.73w2c+ΣKiwi+KT(Tp−TL)(4)ε=1.9943+7.459wc-4.73wc2+ΣΚiwi+ΚΤ(Τp-ΤL)(4)式中,wc为钢中碳的质量分数;wi为钢中i合金元素的质量分数;Ki为i合金元素对体收缩率的影响系数,其值如表2所示;KT为浇注温度对体收缩率的影响系数,对于常见铸造碳素结构钢,KT约为0.014(%/℃);TP为浇注温度;TL为钢的液相线温度,可由下式求得TL=1536−{78(wc)+7.6(wSi)+4.9(wMn)+34.4(wp)+38(ws)+4.7(wCu)+3.1(wNi)+1.3(wCr)+3.6(wAl)}(5)ΤL=1536-{78(wc)+7.6(wSi)+4.9(wΜn)+34.4(wp)+38(ws)+4.7(wCu)+3.1(wΝi)+1.3(wCr)+3.6(wAl)}(5)由式(4)可知,对于大多数常用铸造碳素钢,其体收缩率一般小于6%,因此我们以体收缩率6%代入式(3),建立了表1所示2,3,4射横浇道结构的不同浇口杯所许用的铸件组铸件总质量表。由于篇幅所限,表3所示仅为其中的2射横浇道结构的不同浇口杯的许用铸件组铸件总质量。本表适用于常用的中碳铸造碳素钢和低合金结构钢熔模铸件。在横浇道确定后,根据实际生产情况确定组装方案,原则上组装蜡模数量尽可能多。然后由表3查得与铸件组的铸件总质量(含内浇口质量)相应的浇口杯规格。3确定浇口杯口(1)本法中浇口杯是提供补缩金属液的补缩源,因此必须保证浇口杯不得损坏并保证一定的浇注高度。在本法所导出的图表中留有10mm的安全浇注余量,因此浇注终止时的浇注液面不得低于浇口杯杯口10mm。如低于10mm,则应适当扩大杯号。(2)表3所示不同浇口杯的铸件组许用铸件总质量,由表1所示横浇道长度条件下求得。如果使用的横浇道小于或大于表1所示标准长度,则应在所查许用铸件总质量中增加或减去式(6)所求得的质量值QL。QL=KL⋅ΔL(6)QL=ΚL⋅ΔL(6)式中,KL为质量增减系数(g/cm),由表4求得。ΔL为非标准横浇道与表1所示标准横浇道的长度差(cm)。(3)本法中采用大口径浇口杯时可大大增加蜡模装配数量,但型壳质量相应增加,因而可能导致型壳在浇口杯颈口处断裂,此时可采用图6所示带肋浇口杯。4浇注补缩系统设计(1)浇口杯是比横浇道更为重要的提供补缩金属液的补缩源,因此本文在立足于浇口杯为补缩源、横浇道和内浇道为浇注补缩通道的基础上,开发了适用于横浇道型浇注补缩系统的新设计方