冒口系统设计课件

1、冒口系统设计1 第三章 浇冒口系统设计 冒口系统设计冒口系统设计 材料科学工程系材料科学工程系 吴士平吴士平 冒口系统设计2 一、冒口的作用一、冒口的作用 为了使铸件在凝固的最后阶段得到补缩，防为了使铸件在凝固的最后阶段得到补缩，防 止缩孔、缩松、裂纹、变形等产生，则在铸件上止缩孔、缩松、裂纹、变形等产生，则在铸件上 设置冒口。设置冒口。 冒口冒口储备足量的液态金属，又可排气、集储备足量的液态金属，又可排气、集 渣。铸造合金凝固时，均产生体积收缩，凝固后渣。铸造合金凝固时，均产生体积收缩，凝固后 均会形成孔洞缩孔、缩松均会形成孔洞缩孔、缩松。 冒口系统设计3 冒口系统设计4 冒口系统设计5 合

2、适的冒口工艺可以有效地防止或减少合适的冒口工艺可以有效地防止或减少 铸件的收缩缺陷。收缩缺陷与合金的凝固铸件的收缩缺陷。收缩缺陷与合金的凝固 特性有关，也与冒口自身设计有关特性有关，也与冒口自身设计有关 对于逐层凝固对于逐层凝固产生集中缩孔的合金，设产生集中缩孔的合金，设 置适当容积、足够的温度梯度的冒口，就置适当容积、足够的温度梯度的冒口，就 可以有效地防止缩孔和缩松。可以有效地防止缩孔和缩松。 对于糊状凝固对于糊状凝固的合金，冒口的作用很小，的合金，冒口的作用很小， 适当设置小冒口，可以在一定限度上减少适当设置小冒口，可以在一定限度上减少 缩孔缺陷和减少缩松缺陷。缩孔缺陷和减少缩松缺陷。

3、冒口系统设计6 二、冒口的类型及设计原理二、冒口的类型及设计原理 冒口种类冒口种类 ）按冒口在铸件上的位置分）按冒口在铸件上的位置分 顶冒口：位于铸件的最高处顶冒口：位于铸件的最高处 侧冒口：设置在铸件的热节点处侧冒口：设置在铸件的热节点处 补贴冒口：方向凝固补贴冒口：方向凝固 局部冒口局部冒口 冒口系统设计7 2）按冒口结构分）按冒口结构分 矩形冒口矩形冒口 圆柱形冒口圆柱形冒口 球型冒口球型冒口 3）按冒口内腔与大气之间关系）按冒口内腔与大气之间关系 明冒口明冒口 暗冒口大气压力冒口暗冒口大气压力冒口 发气压力冒口发气压力冒口 冒口系统设计8 冒口系统设计9 冒口系统设计10 三、冒口的设

4、计原则 （一）设置冒口的必要性 冒口系统设计11 （二）、冒口位置选择原则 1 方向性（顺序）凝固，要使凝固进行方向超香 冒口 2一般在热节上方，厚壁部分设置； 3冒口应比铸件晚凝固，最后凝固才能补缩； 4冒口在满足补缩条件下，尺寸尽量小， 5防止裂纹产生，冒口不设在铸件应力集中处 （阻碍收缩），防止引起裂纹； 6尽可能地将冒口设在方便和容易消除冒口残 根的地方； 7冒口的补缩距离要大于冒口的有效补缩范围。 冒口系统设计12 图3-3-8 平板铸件用冒口补缩时出现缩松区的情况 b-有效补缩区 c-冒口补缩区 e- 末端边角激冷区 f- 缩松区 冒口系统设计13 冒口系统设计14 冒口系统设计1

5、5 （三）确定冒口的种类和类型（三）确定冒口的种类和类型 在选定冒口的种类和类型时要考虑设置冒在选定冒口的种类和类型时要考虑设置冒 口的效果和造型及去除冒口时是否方便。图口的效果和造型及去除冒口时是否方便。图 313是常采用的几种冒口形式是常采用的几种冒口形式 冒口系统设计16 冒口系统设计17 （四）决定冒口的尺寸（四）决定冒口的尺寸 （1）一般来说，冒口系统（冒口和冒口颈）一般来说，冒口系统（冒口和冒口颈） 的凝固应晚于铸件的凝固。的凝固应晚于铸件的凝固。 （2）冒口要能根据设计的要求提供足够的）冒口要能根据设计的要求提供足够的 金属来补偿铸件的液态收缩，凝固收缩以及金属来补偿铸件的液态收

6、缩，凝固收缩以及 由于型腔扩大而增加的体积。而且要力求铸由于型腔扩大而增加的体积。而且要力求铸 件的成品率高。件的成品率高。 （3）冒口和铸件受补缩部位之间，要保持）冒口和铸件受补缩部位之间，要保持 一定的温度梯度和凝固梯度，以保证补缩通一定的温度梯度和凝固梯度，以保证补缩通 道畅通。道畅通。 冒口系统设计18 （五）校验方向性（顺序）凝固和多冒口的（五）校验方向性（顺序）凝固和多冒口的 综合效果综合效果 由于冒口的有无及其位置、大小等将直接由于冒口的有无及其位置、大小等将直接 影响铸件的温度场，从而影响凝固的进行状影响铸件的温度场，从而影响凝固的进行状 态。此外，在多冒口的情况下还有可能发生

7、态。此外，在多冒口的情况下还有可能发生 相互间的干扰。因此需要校验是否不产生缺相互间的干扰。因此需要校验是否不产生缺 陷。陷。 冒口系统设计19 冒口的设计及计算 以铸钢件冒口设计为主，凡实行顺序以铸钢件冒口设计为主，凡实行顺序 凝固的一切合金铸件均适用。凝固的一切合金铸件均适用。 冒口的设计：冒口的设计： 凝固时间原则：模数法凝固时间原则：模数法 几何关系原则：缩管法几何关系原则：缩管法 热节圆法热节圆法 冒口系统设计20 （一）（一）模数法模数法 模数：体积和散热表面积的比值称模数模数：体积和散热表面积的比值称模数 M=V/AM=V/A 其中：其中：M M模数（模数（m m）；）； V V

8、铸件体积（铸件体积（m m3 3） A A散热表面积（散热表面积（m m2 2） 模数法：根据铸件凝固理论，铸件凝固时间决定于模数法：根据铸件凝固理论，铸件凝固时间决定于 它的体积和表面积的比值，即铸件的模数。它的体积和表面积的比值，即铸件的模数。M M小小的的 铸件凝固时间短；铸件凝固时间短；M M大大的铸件凝固时间长，模数方的铸件凝固时间长，模数方 法计算冒口尺寸就是建立在模数的基础之上。法计算冒口尺寸就是建立在模数的基础之上。 冒口系统设计21 模数法基本原理：模数法基本原理： 、按顺序凝固的基本条件，冒口凝固时间、按顺序凝固的基本条件，冒口凝固时间r r 应应 大于铸件被补缩部位的凝固

9、时间大于铸件被补缩部位的凝固时间c c。 已知：已知： 2 c c c M K 式中：式中：Mr, Mc为冒口、铸件的模数；为冒口、铸件的模数； Kr, Kc为冒口、铸件的凝固系数为冒口、铸件的凝固系数 ； Kr=Kc（一般情况下）（一般情况下） 得：得： 22 rc rc MM KK 2 r r r M K 冒口系统设计22 一般取一般取f f1.2 1.2 则则 Mr=fMr=fMc Mc f f为冒口系数（为冒口系数（ff） 对碳钢、低合金钢铸件，冒口、冒口颈和铸件对碳钢、低合金钢铸件，冒口、冒口颈和铸件 模数关系：模数关系： 侧冒口侧冒口 Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2Mc:Mn

10、:Mr=1:1.1:1.2 顶冒口顶冒口 Mr=(1.2-1.0)McMr=(1.2-1.0)Mc 内浇道通过冒口内浇道通过冒口 Mc:Mn:Mr=1: (1-1.03) :1.2Mc:Mn:Mr=1: (1-1.03) :1.2 冒口系统设计23 、冒口必须能提供足够的金属液以补偿铸件在凝固、冒口必须能提供足够的金属液以补偿铸件在凝固 结束前体收缩（包括型壁移动扩大的容积）故应满足：结束前体收缩（包括型壁移动扩大的容积）故应满足： 式中：式中： VcVc、VrVr、VeVe铸件、冒口、型壁移动扩大的体积；铸件、冒口、型壁移动扩大的体积； 金属液的收缩率金属液的收缩率 冒口补缩效率冒口补缩效率

11、 () crer VVVV 冒口系统设计24 结果：铸件模数（查表）结果：铸件模数（查表）按按MrMr1.2Mc1.2Mc 计算得出冒口的模数计算得出冒口的模数再查表（）再查表（）分分 别求出圆柱形、腰圆形（明冒口）或圆柱形按别求出圆柱形、腰圆形（明冒口）或圆柱形按 冒口的尺寸冒口的尺寸 设计步骤：设计步骤： 将铸件划分几个补缩区，计算各区的铸件将铸件划分几个补缩区，计算各区的铸件 模数模数 计算冒口、冒口颈的模数计算冒口、冒口颈的模数 确定冒口的形状和尺寸确定冒口的形状和尺寸 检查顺序凝固条件、补缩距离检查顺序凝固条件、补缩距离 核验冒口补缩能力（按表）核验冒口补缩能力（按表）VrVr冒口体

12、积；冒口体积； vv铸钢件的收缩率铸钢件的收缩率 冒口系统设计25 冒口系统设计26 M=(1-1.25)M M=(1-1.143)MM=(1-1.151)M 冒口系统设计27 计算实例： ZGZG齿轮如图所示，其收缩率约齿轮如图所示，其收缩率约 为为 ）轮缘冒口计算）轮缘冒口计算 把轮缘看作长方形断面的杆，当在冒口之间不把轮缘看作长方形断面的杆，当在冒口之间不 采用冷铁时，大致需要设置三个冒口。在冒口采用冷铁时，大致需要设置三个冒口。在冒口 之间设置冷铁，可以只设二个冒口。之间设置冷铁，可以只设二个冒口。 首先计算轮缘铸件部分的模数首先计算轮缘铸件部分的模数 Mc=VcMc=VcAcAc1.

13、961.96 冒口系统设计28 冒口系统设计29 为了保证冒口比铸件晚凝固，一般取为了保证冒口比铸件晚凝固，一般取MrMr 1.2Mc1.2Mc Mr=1.2Mc Mr=1.2Mc2.352.35 查标准腰圆形冒口表：当收缩率、查标准腰圆形冒口表：当收缩率、 MrMr2.42cm2.42cm、每个冒口能补缩最大铸件、每个冒口能补缩最大铸件 体积体积4.8L4.8L（重量（重量37kg37kg）时冒口的尺寸）时冒口的尺寸 为为 a=100mm,a=100mm,b=200mm,b=200mm,h=150mm(h=1.5a)h=150mm(h=1.5a)。 冒口系统设计30 2）轮毂冒口计算）轮毂冒

14、口计算 把轮毂同样看成长方形杆，则把轮毂同样看成长方形杆，则 McMc1.92cm1.92cm Mr=1.2Mc=2.3cm Mr=1.2Mc=2.3cm 查标准圆柱形暗冒口表：当查标准圆柱形暗冒口表：当Mr=2.38cm, Mr=2.38cm, 收缩率收缩率 为为5 5、每个暗冒口能补缩的最大铸件体积为、每个暗冒口能补缩的最大铸件体积为 4 . 1 L4 . 1 L （ 重 量（ 重 量 3 2 k g3 2 k g ） 时 ， 冒 口 的 尺 寸 为） 时 ， 冒 口 的 尺 寸 为 120mm120mm188mm(h) (h=1.5d)188mm(h) (h=1.5d)。可见设计一个。可

15、见设计一个 冒口已经足够。冒口已经足够。 冒口系统设计31 如果考虑砂芯的影响，按照表如果考虑砂芯的影响，按照表 取取k k1.51.5，则散热面积减小、相当于铸件厚度，则散热面积减小、相当于铸件厚度 增加。于是，重新计算铸件的体积和散热面积增加。于是，重新计算铸件的体积和散热面积 （加大杆的厚度）（加大杆的厚度） Mc=2.36cmMc=2.36cm Mr=1.2Mc=2.83cm Mr=1.2Mc=2.83cm 查同一表得：冒口的尺寸查同一表得：冒口的尺寸150mm150mm225mm(h)225mm(h)。 这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。 冒口系

16、统设计32 （二）补缩液量法 假设：假设： 铸件凝固层增长速度与冒口相等；铸件凝固层增长速度与冒口相等； 冒口内供补缩用金属液体积（缩孔体积）为冒口内供补缩用金属液体积（缩孔体积）为 直径直径d d0 0的球的球 所以，当冒口高度与直径相等时，铸件中所以，当冒口高度与直径相等时，铸件中 最大凝固层厚度为壁厚的一半。则冒口中凝固最大凝固层厚度为壁厚的一半。则冒口中凝固 层厚度也为铸件厚度的一半，因而冒口中缩孔层厚度也为铸件厚度的一半，因而冒口中缩孔 球直径球直径d0d0等于冒口直径与铸件壁厚之差。等于冒口直径与铸件壁厚之差。 冒口系统设计33 H d0 Dr T 冒口系统设计34 即即 d0=D

17、r-Td0=Dr-T 则则 Dr=T+d0Dr=T+d0 T - T - 铸件壁厚铸件壁厚 d0 - d0 - 冒口直径冒口直径 而且直径而且直径d0d0的球体积应等铸件（被补缩部分）的球体积应等铸件（被补缩部分） 的总体收缩容积。的总体收缩容积。 即：即： d03=Vc 6 3 0 c V d 1 6 冒口系统设计35 VcVc 铸件体积铸件体积 金属凝固体收缩率金属凝固体收缩率 值查表，然后计算出值查表，然后计算出VcVc，再通过，再通过d d0 0计算公式求计算公式求 出补缩球直径出补缩球直径d d0 0，最后用，最后用DrDr公式求出冒口直径公式求出冒口直径 DrDr。 实际应用中，冒

18、口高度大于冒口直径，取实际应用中，冒口高度大于冒口直径，取 Hr=(1.15 - 1.8)DrHr=(1.15 - 1.8)Dr 冒口系统设计36 ( (三三) ) 热节圆法热节圆法 实践中总结出，冒口尺寸相对于热节圆直径的比实践中总结出，冒口尺寸相对于热节圆直径的比 例关系，即例关系，即 热节圆法：以热节圆直径热节圆法：以热节圆直径dydy作为冒口计算的基本参作为冒口计算的基本参 数的方法数的方法 计算（绘图）原理：计算（绘图）原理： 1 1）确定热节圆直径，一般用做图法求出。）确定热节圆直径，一般用做图法求出。 热节圆直径零件尺寸加工余量总尺寸热节圆直径零件尺寸加工余量总尺寸线收线收 缩率

19、缩率 量出热节圆直径量出热节圆直径T T或用几何公式算出热节圆直径或用几何公式算出热节圆直径 冒口系统设计37 T R c a 冒口系统设计38 2 (/2) 2 Rc Ta aR T 热节圆直径热节圆直径 冒口系统设计39 2 2）按比例确定冒口尺寸）按比例确定冒口尺寸 冒口补贴冒口补贴 冒口尺寸的确定冒口尺寸的确定 冒口直径冒口直径B(B(宽宽) )： 明冒口明冒口 B=(1.8 - 2.0)T B=(1.8 - 2.0)T （热节圆直径）（热节圆直径） 暗冒口暗冒口 B=(2.2 - 2.5)T B=(2.2 - 2.5)T （热节圆直径）（热节圆直径） 冒口高度冒口高度: H=(1.1

20、5 - 1.18)B : H=(1.15 - 1.18)B 冒口直径或宽冒口直径或宽 冒口长度：冒口长度： A=(1.5 - 1.8)B A=(1.5 - 1.8)B 冒口宽冒口宽 冒口系统设计40 冒口补缩距离冒口补缩距离: Ln=4dy=(4 - 5)T : Ln=4dy=(4 - 5)T 铸件工艺出品率校核铸件工艺出品率校核: : 应用实例：应用实例： 已知已知ZG45ZG45铸钢轮尺寸如图所示，试用热节圆法铸钢轮尺寸如图所示，试用热节圆法 计算明冒口尺寸，并计算该产品件工艺出品率计算明冒口尺寸，并计算该产品件工艺出品率 （浇口重（浇口重87kg87kg） 100 铸件重 工艺出品率 铸

21、件重冒口重浇注系统重 冒口系统设计41 冒口系统设计42 （四）（四） 提高冒口补缩效率的方法提高冒口补缩效率的方法 一般通用冒口占铸件重一般通用冒口占铸件重30 30 5050 耗费金耗费金 属材料属材料, ,为此：为此： 提高冒口中金属液补缩压力提高冒口中金属液补缩压力 大气压力冒大气压力冒 口口 延长冒口中金属液保持时间延长冒口中金属液保持时间 保温冒口、保温冒口、 发热冒口发热冒口 冒口系统设计43 1) 大气压力冒口大气压力冒口 在暗冒口顶部安装细砂芯，伸入冒口中心，在暗冒口顶部安装细砂芯，伸入冒口中心， 为大气压力冒口。浇注冒口表面结壳，外界大为大气压力冒口。浇注冒口表面结壳，外界

22、大 气压力仍可作用至金属液面上，可以增加冒口气压力仍可作用至金属液面上，可以增加冒口 的补缩压力。的补缩压力。 冒口系统设计44 冒口系统设计45 2) 保温冒口保温冒口 使用保温材料、发热材料作冒口套。使用保温材料、发热材料作冒口套。 冒口套：冒口套： 耐火材料耐火材料 石英砂、镁砂、铬铁石英砂、镁砂、铬铁 矿砂矿砂 保温材料保温材料 膨胀珍珠岩、陶瓷棉、发泡石膏膨胀珍珠岩、陶瓷棉、发泡石膏 发热剂发热剂 铝粉、氧化铁粉铝粉、氧化铁粉 2Al+Fe2Al+Fe2 2O O3 3=Al=Al2 2O O3 3+2Fe+208+2Fe+2084184J4184J 粘结剂粘结剂 膨润土、水玻璃、酚

23、醛树脂膨润土、水玻璃、酚醛树脂 冒口系统设计46 冒口系统设计47 冒口系统设计48 保温冒口套实例保温冒口套实例: : 膨胀珍珠岩复合保温冒口套膨胀珍珠岩复合保温冒口套 珍珠岩珍珠岩8-10%8-10%，铝矾土，铝矾土27-28%27-28%，水泥，水泥23-25%23-25%， 陶瓷棉陶瓷棉38-40%38-40%，适量水，适量水 (3)(3)易割冒口易割冒口 冒口系统设计49 38 冷铁和铸筋冷铁和铸筋 （一）冷铁 为了增加铸件局部冷却速度增加铸件局部冷却速度，在型腔内或表 面安放金属块，增加金属冷却作用，把这种起激 冷作用的金属块称为冷铁。冷铁分为内冷铁内冷铁、外外 冷铁冷铁。内冷铁安

24、放在铸型壁内或型腔内，其材质 要求与铸件材质相同并要求二者能很好的融合为 一体；外冷铁安放外冷铁安放在砂型（芯）壁上，不溶入铸 件内。 冒口系统设计50 冒口系统设计51 冷铁作用：冷铁作用： 加快铸件热节部分的冷却速度，使铸件趋加快铸件热节部分的冷却速度，使铸件趋 于同时凝固，有利于防止铸件变形或出现裂纹。于同时凝固，有利于防止铸件变形或出现裂纹。 并有可能减少偏析。并有可能减少偏析。 与冒口配合使用，使铸件局部冷却加速，与冒口配合使用，使铸件局部冷却加速， 强化了铸件顺序凝固的条件，有利于冒口补缩强化了铸件顺序凝固的条件，有利于冒口补缩 和扩大冒口补缩范围。这样不仅有利于防止铸和扩大冒口补

25、缩范围。这样不仅有利于防止铸 件产生缩孔、缩松缺陷，还有可能减少冒口的件产生缩孔、缩松缺陷，还有可能减少冒口的 数目或体积及补贴的斜度，提高工艺出品率。数目或体积及补贴的斜度，提高工艺出品率。 加快铸件某些特殊部位的冷却速度，以期加快铸件某些特殊部位的冷却速度，以期 达到提高铸件表面硬度和耐磨性、细化基体组达到提高铸件表面硬度和耐磨性、细化基体组 织的目的。织的目的。 冒口系统设计52 在难于设置冒口或冒口不易补缩到的部位在难于设置冒口或冒口不易补缩到的部位 放置冷铁以减少或防止出现缩孔、缩松。放置冷铁以减少或防止出现缩孔、缩松。 对球铁，用冷铁进行激冷可以增大铸件表对球铁，用冷铁进行激冷可以

26、增大铸件表 面和中心的温度梯度，有利于提高石墨化膨胀面和中心的温度梯度，有利于提高石墨化膨胀 的利用程度和提高冒口补缩效果。的利用程度和提高冒口补缩效果。 冒口系统设计53 1、外冷铁、外冷铁 直接外冷铁、间接外冷铁直接外冷铁、间接外冷铁 外冷铁是自铸件外壁施加激冷作用，它不与铸外冷铁是自铸件外壁施加激冷作用，它不与铸 件表面溶接，可以回收重用。所以外冷铁的材件表面溶接，可以回收重用。所以外冷铁的材 料以选择导热性好、有足够高的熔点的为好。料以选择导热性好、有足够高的熔点的为好。 直接外冷铁直接外冷铁 金属激冷材料直接与铸件相接金属激冷材料直接与铸件相接 触称为直接外冷铁触称为直接外冷铁 间接

27、外冷铁间接外冷铁 金属激冷材料通过一薄层非金金属激冷材料通过一薄层非金 属材料（如砂子、涂料等厚度在属材料（如砂子、涂料等厚度在101015mm15mm）与）与 铸件相接触称为间接冷铁铸件相接触称为间接冷铁 冒口系统设计54 冒口系统设计55 要求：要求： 外冷铁与表面接触面光洁、去污锈、刷涂料外冷铁与表面接触面光洁、去污锈、刷涂料 外冷铁呈外冷铁呈4545角型砂与铁过渡冷却角型砂与铁过渡冷却 与壁相连接处不易有尖角，随形与壁相连接处不易有尖角，随形 外冷铁厚度过厚铸件易裂，过薄易熔合，激外冷铁厚度过厚铸件易裂，过薄易熔合，激 冷作用时间短，一般为壁厚的冷作用时间短，一般为壁厚的0.5-0.70.5-0.7倍倍 冒口系统设计56 厚度长间距 圆柱形D25100 150 10-20 板 形B10100 - 150 6-10 冷铁尺寸及分布距离冷铁尺寸及分布距离 冒口系统设计57 2、内冷铁、内冷铁 内冷铁浇注后与铸件熔合在一起，其材料 应与铸件材料相同，激冷效果好，作用优于外 冷铁，可以消除铸件的缩孔、缩松。但是，重 量过小不易消除缩孔、缩松，过大不易熔合产 生裂纹降低性能。 其重量计算： G冷0.28(G2-G1) G冷 内