进料口

分流道与型腔之间的狭小通口

进料口又称浇口,它是分流道与型腔之间的狭小通口,也是最短小部分,其作用使熔融塑料在进型腔时产生加速度,有利于迅速充满型腔,成型后浇口塑料先冷凝,以封闭型腔,防止熔融塑料倒流,避免型腔压力下降过快,以至在制品上产生缩孔或凹陷,成型后便于使浇注凝料与制品分离。

概念
铸造工艺中,进料口将各分流道门末端熔体引入到个型腔的小尺寸通道;在大型化工机械中,如球磨机混合机等,进料口为投料入口,是物料入口管道与机械腔体的狭小通口。
铸钢件进料口的铸造工艺模拟及改进
进料口的三维实体见图1,根据该零件的结构特点,对该铸件进行铸造工艺分析可知:该零件属于中型铸钢件,其结构相对比较复杂,壁厚分布比较均匀。
初始工艺方案
(1)分型面和浇注位置的设计
确定进料口铸造方法为砂型铸造,选用水玻璃自硬砂。根据浇注位置的确定原则及铸件的结构,所选用的浇注位置、分型面如图2所示。根据零件尺寸轮廓大小,确定为三箱造型。
(2)浇注系统的设计
考虑到铸件的尺寸的大小和生产批量,结合铸件结构及设计原则,采用底注式半开放浇注系统,转包浇注。浇注系统截面比为F内:F横:F直=1.0:(0.8~0.9):(1.1~1.2),经计算F内为28.3cm2,F横为25.5cm2,F直为34cm2。浇道从铸件对称的两个方向同时引入。
(3)冒口的设计
运用模数法计算冒口。求得铸件进料口体积V=36.4dm3,表面积S=3.02m2,铸件模数Mc=V/S=1.2cm。查参考资料后确定,冒口的形状如图3,共有4个,在铸件顶端对称分布。
(4)冷铁的设计
在铸钢件进料口的两肋上与底面上放置与其尺寸接近的冷铁,造成人为末端区,其厚度20mm,其形状如图4,放置位置如图5。
铸造工艺优化及模拟
传统的铸造工艺铸出的进料口铸件产生的缺陷太多,不能满足性能要求。经过仔细分析和慎重选择,为了方便起模并达到理想的效果,决定采用消失模铸造工艺。工艺流程如图6,结合进料口铸件的特点,采用顶注式浇注系统。带有浇注系统的铸件实体图如图7,冒口是一个圆环柱,内圆的直径为准500mm,外圆的直径为准800mm,高为250mm。
(2)预发泡处理
用戊烷(C5H12)作为发泡剂来对泡沫塑料的珠粒进行预发泡,戊烷的沸点36.07℃,凝固点-129.72℃,采用蒸汽式连续预发泡。内型采用铝合金造型,外型采用铸钢,可以永久使用。
(3)内外型的设计
消失模铸造铸件的吃砂量为100mm,结合铸件和浇注系统的尺寸,外型尺寸为1400mm×900mm×850mm(长×宽×高)。内型采用铝合金,为了能取出内芯,将内芯分为如图8所示的五部分。
(4)模型涂层和振动造型
为了提高EPS模型的强度、刚度及表面抗型砂冲刷能力,防止加砂过程中模型及负压定型时模型的变形,确保铸件的尺寸精度;在实型铸造泡塑模型表面涂一层1.5mm厚度的专用涂料,连涂两遍,在40~50℃下烘干,形成铸型内壳。将带有抽气室的砂箱放在振动台上,底部放入100mm厚度的底砂,其为无粘结剂、不含水的干石英砂,振动紧实;在上面放置EPS模型组,并培砂固定;加入干砂,同时施以x、y、z三个方向振动,振动时间50s,砂箱表面用塑料薄膜密封,用真空泵将砂箱内抽成一定真空,靠大气压力与铸型内压力之差将砂粒“粘结”在一起,维持铸型浇注过程不崩散,称之为“负压”定型。
(5)浇注置换
铸件浇注时,在液体金属的热作用下,EPS模型发生热解气化,产生大量气体,不断通过涂层型砂,向外排放,在铸型、模型及金属间隙内形成一定气压,液体金属不断地占据EPS模型位置,向前推进,发生液体金属与EPS模型的置换过程,置换的最终结果是形成铸件。浇注操作过程采用慢-快-慢的连续浇注,防止浇注过程断流,浇后铸型真空维持5min后停泵,浇注温度比砂型铸造的温度高40℃。
(6)凝固过程模拟分析
改进方案模拟结果如图9所示。当凝固时间t=30s时,在型腔内金属液的边缘部分有一定厚度的钢液已经凝固;t=40s时,壁厚相对较小或热节较小的的部分已经完全凝固;t=60s时,加强筋已经完全凝固,底面开始凝固;t=80s时,液态金属进一步凝固,底面已基本凝固;t=120s时,底面完全凝固,补缩通道开始凝固;t=180s时,薄壁部分进一步凝固,一些补缩通道已关闭;t=340s时,壁厚和热节较大的部分仍然存在液体,其余的部位已基本凝固,浇注系统进一步凝固,补缩通道关闭;t=3200s时,除冒口中心外,铸件完全凝固。虽然该过程和初始方案相同,但效果更好。如图10,相对于初始方案,铸件的缩孔和缩松缺陷明显减少,底面和顶面没有缺陷;壁是非加工面,为非重要面,壁上的细微缺陷不影响使用性能,故最终决定采用此方案。
研究结论
(1)运用V-Cast模拟软件,通过对铸钢件进料口原始工艺进行凝固过程模拟,准确预测了产生的缩孔、缩松缺陷,为设计合理的铸造工艺提供了参考。
(2)借助V-Cast软件,采用消失模铸造工艺进行浇注,在铸件两侧设计了半开放式浇注系统,采用了顶注式浇注系统;在铸件的顶面上放置了环形冒口,以对进料口壁进行补缩;设计了制造泡沫塑料消失模的内型和外型,设计了消失模铸造的工艺过程。最终模拟结果证明,消失模铸造工艺能得到满足使用要求的铸件。
圆筒混合机进料口漏料及扬尘的防治
改造前的状况
圆筒混合机进料口密封如图11所示,采用的是正反喇叭口互密封结构。正喇叭口通过M14螺栓固定在筒体上,可随筒体一起转动;反喇叭口焊固在进料漏斗上,为不可转动部分。正反喇叭口之间留有50mm间隙,保证混合机正常运转时,相对运转的正反喇叭口两部分不会发生摩擦、碰撞。这种密封结构存在的问题是:①因混合机筒体中心随负荷变化及驱动轮胎磨损而发生变化,造成正反两喇叭口不同心,其间隙很难达到一致,致使相对运转的两部分在某些部位产生滑动摩擦,最终导致正喇叭口边缘部分被切断。②正、反喇叭口上部受物料冲刷,磨损严重,使用寿命短。③大量粉尘从两喇叭口之间的间隙泄漏,严重污染环境。
改进措施
(1)第一次改进
将原密封装置全部拆除,采用了如图12所示的内迷宫式密封。其进料漏斗末端及混合机进口部分尺寸如图所注。采用厚10mm的A3钢板割制一个1760mm的圆板,再在圆板中心割制一个1150×970mm的方孔,将其切割成对称的两块后焊固在进料漏斗的出料口末端,并要求该圆板与筒体端面基本平行。然后将已加工好的内径为1760mm、宽为150mm、厚4mm的圆筒切割成段,焊固在圆板的外侧,并保持与筒体内侧端面的间隙为50mm。内迷宫式密封大大降低了漏料量及扬尘,但也存在着筒体更换不便,更换轮胎及调整联轴器时筒体可上升的距离受到限制,圆弧密封板和筒体止口之间间隙较大,密封效果不理想等问题。
(2)第二次改进
割除内迷宫式密封结构中的圆弧密封板,将进料漏斗出料口末端焊固的1760mm圆板的直径缩至1654mm;在筒体止口部位均匀割制14mm圆孔16个。再用废运输胶带割制一段长5250mm,宽230mm的密封胶皮,在密封胶皮上打孔后用M12螺栓固定在止口部位,制成如图13所示的软联接密封。这种密封方式有效地减小了接触间隙,1654mm圆板与胶皮之间的间隙仅为5mm,大大提高了密封效果,而且胶皮使用寿命长,更换方便。这一改进彻底解决了漏料问题,粉尘泄漏也大大减少,但仍有一定扬尘。
扬尘治理
为解决进料口部位的扬尘问题,采取了在该部位适量加水降尘的方案(混合、制粒所需水量的不足部分由流量计控制补充),但加水造成漏斗内壁粘料、堵料,影响料流稳定,导致生产波动。为此,我们又进行了两次改进。
(1)改进之一
在混合机进料漏斗内壁落料点处安装1个860mm×950mm吊挂振动板,其一端与漏斗壁铰接,可绕铰支座转动。在漏斗外部的相应部位安装两台振动器,启动振动器,吊挂振动板则随之产生高频微幅摆动,将粘结的物料振落,使料流通畅、稳定。改进后,使用效果不错,但存在振动器易烧坏,振动板磨损严重,振动噪音大等问题,且增加了日修、定修工作量和维修成本。
(2)改进之二
去掉振动器和吊挂振动板,设计制作了一块860mm×950mm的工业陶瓷衬板,将该衬板安装在漏斗内壁落料点部位,漏斗其余部位则粘贴铸石衬板,要求各衬板连接部位保持光滑、平整。由于陶瓷衬板和铸石衬板具有不粘料,耐磨损、使用寿命长等特点,尤其是工业陶瓷衬板还具有一定的抗冲击能力,而铸石衬板价格低廉,很好地解决了粘、堵料问题,从而解决了混合机进料口部位的扬尘。
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