材料液态成型工艺学A1-5-2015

1、Dalian University of Technology 材料成型工艺及设备材料成型工艺及设备材料科学与工程学院材料科学与工程学院7-1 7-1 浇注系统的功能浇注系统的功能1.1.浇注系统浇注系统：引导液态金属进入型腔的一系列通道的：引导液态金属进入型腔的一系列通道的总称总称。2.2.基本结构基本结构：浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道。第七章第七章 浇注系统设计浇注系统设计浇注系统基本结构浇注系统基本结构1-浇口杯；浇口杯；2-直浇道；直浇道；3-横浇道；横浇道；4-内浇道；内浇道；5-直浇道窝直浇道窝7-1 7-1 浇注系统的功能浇注系

2、统的功能7-1 7-1 浇注系统的功能浇注系统的功能l 3.3.充型能力：充型能力：液态金属充填铸型获得轮廓清晰、完整铸件的液态金属充填铸型获得轮廓清晰、完整铸件的能力。能力。l 影响充型能力的因素：影响充型能力的因素： 1 1）铸件结构；）铸件结构； 2 2）合金种类；）合金种类； 3 3）铸型条件；）铸型条件； 4 4）浇注方法。）浇注方法。l 合金的合金的充型能力首先充型能力首先取决于取决于流动性流动性，即，即液态合金液态合金本身的流动能力本身的流动能力。n 流动性也有利于流动性也有利于减少铸件的气孔、夹杂减少铸件的气孔、夹杂，有利于铸件凝固过，有利于铸件凝固过程中的程中的补缩补缩，及凝

3、固末期因收缩受阻而出现，及凝固末期因收缩受阻而出现热裂时热裂时得到液态金得到液态金属的属的弥合弥合。螺旋形标准试样螺旋形标准试样影响合金流动性的因素影响合金流动性的因素1 1）合金种类）合金种类不同合金因其不同合金因其成分、结晶特性、粘度不同成分、结晶特性、粘度不同，流动性相差很大。，流动性相差很大。在常用的铸造合金中在常用的铸造合金中灰铸铁、硅黄铜的流动灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，性最好，铝合金次之，铸钢流动性最差。铸钢流动性最差。2 2）合金成分）合金成分纯金属和共晶成分合金的结晶为纯金属和共晶成分合金的结晶为逐层凝固逐层凝固，结晶的固体层内表，结晶的固体层内表面光滑，对金属液

4、流动的阻力小。面光滑，对金属液流动的阻力小。共晶合金的凝固温度最低，共晶合金的凝固温度最低，合金过热度大，故流动性最好。合金过热度大，故流动性最好。其他合金的凝固均经过其他合金的凝固均经过固液两固液两相区相区，初生树状晶使已结晶固体层内表面粗糙，流动性变差。，初生树状晶使已结晶固体层内表面粗糙，流动性变差。n 越远离共晶成分，结晶温度范围越宽，流动性越差。越远离共晶成分，结晶温度范围越宽，流动性越差。不同成分合金的流动性不同成分合金的流动性 (a)逐层凝固逐层凝固 (b) 糊状凝固糊状凝固3 3）浇注条件）浇注条件(1)(1)浇注温度：浇注温度：灰铸铁件灰铸铁件1200120013801380

5、0 0C C，铸钢件，铸钢件15201520162016200 0C C；铝合金铸件铝合金铸件6806807807800 0C C。一般地，浇注温度高则流动性好。一般地，浇注温度高则流动性好。(2)(2)充型压力：充型压力：液态合金在液态合金在流动方向上所受的压力越大，流动性流动方向上所受的压力越大，流动性越好。越好。要求浇注系统必须提供足够的静压力。要求浇注系统必须提供足够的静压力。4 4）铸型的充填条件）铸型的充填条件(1)(1)铸型的蓄热能力：铸型的蓄热能力：铸型的蓄热能力表示铸型从熔融合金中吸铸型的蓄热能力表示铸型从熔融合金中吸收并传出热量的能力。收并传出热量的能力。铸型材料的比热容和

6、导热系数越大，对铸型材料的比热容和导热系数越大，对熔融金属的激冷能力越强熔融金属的激冷能力越强, ,合金在型腔中保持流动的时间越短，合金在型腔中保持流动的时间越短，导致合金的流动性越差。导致合金的流动性越差。(2)(2)铸型温度：铸型温度：预热可减小铸型与金属的温差而改善流动性；预热可减小铸型与金属的温差而改善流动性；(3)(3)铸型中的气体：铸型中的气体：改善铸型的透气性可提高流动性；改善铸型的透气性可提高流动性；(4)(4)铸型结构：铸型结构：壁厚过小，壁厚急剧变化、结构复杂，或有大平壁厚过小，壁厚急剧变化、结构复杂，或有大平面均会使充型困难。面均会使充型困难。影响合金流动性的因素影响合金

7、流动性的因素4.4.浇注系统对铸件质量的影响浇注系统对铸件质量的影响1 1）液态金属呈紊流流动：）液态金属呈紊流流动：层流：层流：流体质点在流动方向流体质点在流动方向上分层流动，各层之间互不上分层流动，各层之间互不干扰和渗混，干扰和渗混，流线呈平行状流线呈平行状态的流动。态的流动。如：速度小、粘度大的流体。如：速度小、粘度大的流体。紊（湍）流：紊（湍）流：各质点在不同各质点在不同方向上作方向上作复杂的无规则运动，复杂的无规则运动，互相干扰地向前运动。互相干扰地向前运动。雷诺数：雷诺数：流动状态判别准则流动状态判别准则 Re=VRe=VD/D/=VD/=VD/=惯性力惯性力/ /粘性力粘性力 V

8、 V-液流平均流速，液流平均流速，D D-圆管内径，圆管内径，-动力学粘度，动力学粘度， =/=/-运动粘度。运动粘度。7-1 7-1 浇注系统的功能浇注系统的功能管内层流的速度分布管内层流的速度分布湍流质点的运动湍流质点的运动4.4.浇注系统对铸件质量的影响浇注系统对铸件质量的影响n 临界雷诺数：临界雷诺数：Re临临2300时时-紊流。紊流。金属在高温液态时的运动粘度均低于室温下水的运动粘度金属在高温液态时的运动粘度均低于室温下水的运动粘度(1.310-6m2/s)。如。如15000C钢水的运动粘度为钢水的运动粘度为0.410-6m2/s，17000C钢水的运动粘度为钢水的运动粘度为0.27

9、10-6m2/s。因此，。因此，多数情况下可多数情况下可以将金属液充填铸型型腔的过程视为简单的水力学过程以将金属液充填铸型型腔的过程视为简单的水力学过程。n 按按流动状态判别准则流动状态判别准则-雷诺数雷诺数来判断金属充填铸型时的流动来判断金属充填铸型时的流动状态，对于状态，对于 15000C钢水，钢水，保证层流状态的条件是保证层流状态的条件是： VD0.25d直上直上； 2）采用）采用纵向逆浇纵向逆浇，设置，设置底坎、挡板和闸门等；底坎、挡板和闸门等； 3）采用特殊结构的浇口杯：）采用特殊结构的浇口杯：拔塞式、浮塞式、铁隔片式、闸拔塞式、浮塞式、铁隔片式、闸门式门式等。等。拔塞式浇口盆拔塞式

10、浇口盆a a）盖金属片的自耗式；）盖金属片的自耗式；b b）拔塞式；）拔塞式；c c）浮塞式。）浮塞式。 二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点 1.1.直浇道：直浇道：是连接浇口杯和横浇道的一条垂直孔道，是连接浇口杯和横浇道的一条垂直孔道，将来自浇口杯的金属液引入横浇道。将来自浇口杯的金属液引入横浇道。 2.2.直浇道的作用直浇道的作用 1 1）将液态金属从浇口杯引入横浇道和内浇道；）将液态金属从浇口杯引入横浇道和内浇道； 2 2）提供足够的压力头，使金属液能够克服沿程阻力在）提供足够的压力头，使金属液能够克服沿程阻力在规定的时间内充满铸型。规定的时间内充满铸型。

11、3.3.流动特点流动特点 直浇道一般不能挡渣直浇道一般不能挡渣，但是，当液态金属流经直浇道，但是，当液态金属流经直浇道时将可能产生时将可能产生吸气或带气现象吸气或带气现象。7-4 7-4 液体金属在浇注系统中的流动特点液体金属在浇注系统中的流动特点 二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点1 1）水模拟实验）水模拟实验真空吸气理论真空吸气理论实验条件：实验条件：采用采用有机玻璃有机玻璃制作制作浇口杯和直浇道浇口杯和直浇道两组元浇注系统两组元浇注系统模型，采用水模拟的方法，模型，采用水模拟的方法，尖角、圆角尖角、圆角连接形式，连接形式，等断面和变等断面和变截面截面的直浇道

12、结构。的直浇道结构。液流在有机玻璃模型直浇道内的流动情况液流在有机玻璃模型直浇道内的流动情况a a）圆柱形直浇道，入口（浇口杯与直浇道连接处）为尖角，呈不充满状态；）圆柱形直浇道，入口（浇口杯与直浇道连接处）为尖角，呈不充满状态；b b）圆柱形直浇道，入口为）圆柱形直浇道，入口为圆角，充满且吸气；圆角，充满且吸气；c c）上大下小的圆锥形直浇道（）上大下小的圆锥形直浇道（2/1002/100锥度），入口为尖角，呈不充满状态；锥度），入口为尖角，呈不充满状态；d d）上大下小的圆锥形直浇道（）上大下小的圆锥形直浇道（2/1002/100锥度），入口为圆角，充满且三排小孔均有液体流出。锥度），入口

13、为圆角，充满且三排小孔均有液体流出。1 1）水模拟实验）水模拟实验真空吸气理论真空吸气理论实验结果：实验结果： 尖角连接呈不充满状态，尖角连接呈不充满状态，圆角连接则呈充满状态；圆角连接则呈充满状态； 有锥度的直浇道呈充满有锥度的直浇道呈充满状态，且呈正压流动，从状态，且呈正压流动，从直浇道上的小孔流水；直浇道上的小孔流水；而而等断面的直浇道虽然也呈等断面的直浇道虽然也呈充满状态，但是却充满状态，但是却呈负压呈负压流动，吸入气体；流动，吸入气体； 尖角连接时不充满，而且流股呈渐缩形，直浇道上口有真空尖角连接时不充满，而且流股呈渐缩形，直浇道上口有真空区存在。区存在。二、液态金属在直浇道中的流动

14、特点二、液态金属在直浇道中的流动特点液流在有机玻璃模型的直浇道内的流动情况液流在有机玻璃模型的直浇道内的流动情况a a）圆柱形直浇道，入口（浇口杯与直浇道连接处）为尖角，呈不充满状）圆柱形直浇道，入口（浇口杯与直浇道连接处）为尖角，呈不充满状态；态；b b）圆柱形直浇道，入口为圆角，充满且吸气；）圆柱形直浇道，入口为圆角，充满且吸气；c c）上大下小的圆锥形）上大下小的圆锥形直浇道（直浇道（2/1002/100锥度），入口为尖角，呈不充满状态；锥度），入口为尖角，呈不充满状态；d d）上大下小的圆锥）上大下小的圆锥形直浇道（形直浇道（2/1002/100锥度），入口为圆角，充满且三排小孔均有液

15、体流出。锥度），入口为圆角，充满且三排小孔均有液体流出。2 2）真空吸气理论）真空吸气理论 假设条件：假设条件： 浇注系统是由不透气材料制成；浇注系统是由不透气材料制成； 流体呈稳定流动，且为不可压缩流体；流体呈稳定流动，且为不可压缩流体； 直浇道为等断面结构。直浇道为等断面结构。如图所示，选择直浇道的出口如图所示，选择直浇道的出口2-2为分析的基准面为分析的基准面，则伯努利方程可，则伯努利方程可写为：写为：其中，其中，Z2=0，P2=Pa，整理得：整理得：二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点不透气的模型直浇道中金属液不透气的模型直浇道中金属液流动状况及压力分布流动

16、状况及压力分布由于是稳定流动，根据连续流动定律，有：由于是稳定流动，根据连续流动定律，有： F1V1=F2V2， F1=F2，V1=V2则则n因为因为Z1远远大于远远大于h1-2，所以，所以，（P2-P1）/0，P2 P1 ，又因为，又因为P2 =Pa，所以，所以Pa P1 。n因此，真空吸气理论的分析可以得出结论：因此，真空吸气理论的分析可以得出结论：在直浇道中有真空在直浇道中有真空度存在，流体经过浇注系统时要吸入气体。度存在，流体经过浇注系统时要吸入气体。二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点不透气的模型直浇道中金属液流不透气的模型直浇道中金属液流动状况及压力分布

17、动状况及压力分布二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点直浇道锥度对不透气壁直浇道中压力分布的影响直浇道锥度对不透气壁直浇道中压力分布的影响a a）直浇道中出现负压；）直浇道中出现负压；b b）直浇道中临界正压；）直浇道中临界正压；c c）直浇道中呈正压状态。）直浇道中呈正压状态。3 3）铁水流动实验）铁水流动实验实验条件：实验条件：用型砂制成浇注系统，浇注用型砂制成浇注系统，浇注14500C的铁水，的铁水，用高速摄影机记录流动过程。用高速摄影机记录流动过程。三种浇注系统条件为：三种浇注系统条件为： 由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连由浇口杯和直浇道组成的二组

18、元浇注系统，圆弧连接，接，直浇道为上大下小直浇道为上大下小，直径，直径30mm，锥度，锥度1:50； 由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连接，采用接，采用等直径直浇道等直径直浇道，直径，直径30mm； 由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连接，接，直浇道为上小下大直浇道为上小下大，直径，直径30mm，锥度，锥度1:50。二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点3 3）铁水流动实验）铁水流动实验实验结果：实验结果：上大下小的直浇道呈充满状态，上大下小的直浇道呈充满状态，圆

19、柱形和圆柱形和上小下大的直浇道呈不充满状态。上小下大的直浇道呈不充满状态。 二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点铁水流动实验装置简图铁水流动实验装置简图4 4）压力测量试验）压力测量试验实验条件：实验条件：用型砂制成浇注系统，浇注用型砂制成浇注系统，浇注14500C的铁水，的铁水，在浇注系统直浇道的在浇注系统直浇道的上、中、下三个位置均开有小孔上、中、下三个位置均开有小孔，用压力计测量其压力分布。用压力计测量其压力分布。浇注系统的条件为：浇注系统的条件为： 由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连接，直浇道为上大下小，

20、直径接，直浇道为上大下小，直径30mm，锥度，锥度1:50； 由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连接，采用等直径直浇道，直径接，采用等直径直浇道，直径30mm； 由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连由浇口杯和直浇道组成的二组元浇注系统，圆弧连接，直浇道为上小下大，直径接，直浇道为上小下大，直径30mm，锥度，锥度1:50。二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点试验结果：试验结果：单位单位 mmHg矛盾之处：对等直径直浇道矛盾之处：对等直径直浇道水模拟：水模拟：充满、负压、吸气充满、负压、吸气铁水实验：铁水实验

21、：不充满、正压、带气不充满、正压、带气二、液态金属在直浇道中的流动特点二、液态金属在直浇道中的流动特点序号序号上上中中下下340.840.840401010210010010105 511801801101108080实测铸型压力试验装置简图实测铸型压力试验装置简图4.4.直浇道设计原则直浇道设计原则1）入口处的连接入口处的连接圆弧连接，圆弧连接，r0.25d直上直上2）直浇道的形状直浇道的形状上大下小的锥形，即设计锥度；上大下小的锥形，即设计锥度；根据公式：根据公式：则：则：V2V1, 可使可使P1P2，流体呈正压流动；流体呈正压流动；3）蛇形直浇道则使蛇形直浇道则使h1-2增大，增大，保证

22、保证P24040，水平浇注大平板水平浇注大平板5104040，上箱有大平面，上箱有大平面20301040102041020301.54301005.液面上升速度的校核液面上升速度的校核表：型内钢水最小液面上升速度表：型内钢水最小液面上升速度铸件特征铸件特征复复 杂杂中等复杂中等复杂简简 单单铸件毛坯重量铸件毛坯重量m件件，tV升升，mm/s-1525201551520151015351612835651410665100128510010746 6核算工艺出品率核算工艺出品率 工艺出品率工艺出品率= =铸件重铸件重/ /（铸件重（铸件重+ +浇注系统重量）浇注系统重量）100%100%对灰铁铸

23、件，工艺出品率如下表：对灰铁铸件，工艺出品率如下表：7-5-3 浇注系统基本参数的确定浇注系统基本参数的确定 重量重量大量流水生产大量流水生产成批生产成批生产单件小批生产单件小批生产1000Kg 8590%8090%7-6 索别列夫图表法索别列夫图表法1.1.索别列夫图表使用方法索别列夫图表使用方法由铸件重量坐标向上引直线交于铸件主要壁厚的斜线，由铸件重量坐标向上引直线交于铸件主要壁厚的斜线，然后向然后向左作水平线与已知平均压力头的斜线相交，左作水平线与已知平均压力头的斜线相交，再从交点向下引直再从交点向下引直线进入铸型阻力的框图内，按铸型阻力的大小确定浇注系统的线进入铸型阻力的框图内，按铸型

24、阻力的大小确定浇注系统的内浇道的断面积，内浇道的断面积，再按比例确定其它组元的断面积再按比例确定其它组元的断面积。例如对重。例如对重量为量为1000Kg1000Kg，主要壁厚为，主要壁厚为15mm15mm，平均压力头为，平均压力头为50cm50cm的铸件，在的铸件，在铸型阻力为大、中和小三种情况，其内浇道的总断面积分别为铸型阻力为大、中和小三种情况，其内浇道的总断面积分别为22.522.5、19.519.5和和15cm15cm2 2。2.2.索别列夫图表使用范围索别列夫图表使用范围常用范围为大于常用范围为大于200200公斤公斤的的大中型铸铁件的湿型铸造。大中型铸铁件的湿型铸造。当用于干型时，

25、可将查得当用于干型时，可将查得的结果减小的结果减小151520%20%。7-6 索别列夫图表法索别列夫图表法7-7 阶梯式浇注系统设计阶梯式浇注系统设计阶梯式浇注系统的常用结构如图所示。阶梯式浇注系统的常用结构如图所示。它它以主直浇道下端为阻流以主直浇道下端为阻流断面断面（A-A），其上的，其上的封封闭段由浇口杯和主直浇道闭段由浇口杯和主直浇道组成组成，主直浇道以下完全主直浇道以下完全开放。开放。这样，浇口杯和主这样，浇口杯和主直浇道为充满状态的正压直浇道为充满状态的正压流动，既有利于浇口杯挡流动，既有利于浇口杯挡渣，又能可靠地渣，又能可靠地实现分层实现分层引注引注，而且造型工作也不而且造型工

26、作也不复杂。复杂。阶梯式浇注系统计算简图阶梯式浇注系统计算简图1浇口杯浇口杯 2主直浇道主直浇道 3分配直浇道分配直浇道 4内浇道内浇道 5型腔型腔 6出气口出气口H1阶梯式浇注系统的阶梯式浇注系统的计算方法和步骤计算方法和步骤如下：如下：1.1.内浇道层数取决于铸件的高度：内浇道层数取决于铸件的高度：8008001400mm1400mm，一般采用两层内浇道；，一般采用两层内浇道；上层内浇道距顶面、下层内浇道上层内浇道距顶面、下层内浇道距底面均为距底面均为200200300mm300mm；层间距为层间距为8008001200mm1200mm；2.2.实现分层引注的条件：实现分层引注的条件：1

27、1）联接各层内浇道的分配直浇道）联接各层内浇道的分配直浇道中的金属液必须呈中的金属液必须呈自由液面；自由液面；2 2）分配直浇道中自由液面以下的）分配直浇道中自由液面以下的有效压头有效压头h有效有效必须小于相邻两层内必须小于相邻两层内浇道之间的距离浇道之间的距离H0。7-7 阶梯式浇注系统的设计阶梯式浇注系统的设计 阶梯式浇注系统计算简图阶梯式浇注系统计算简图1浇口杯浇口杯 2主直浇道主直浇道 3分配直浇道分配直浇道 4内浇道内浇道 5型腔型腔 6出气口出气口H13. 3. 浇注系统的计算浇注系统的计算1 1）阻流截面积的计算）阻流截面积的计算 铸件顶部低于铸件顶部低于A-A断面，则：断面，则：铸件顶部高于铸件顶部高于A-A断面，则：断面，则：式中：式中： 1 1为浇口杯为浇口杯- -阻流断面的流量系数；阻流断面的流量系数；浇口杯浇口杯- -直浇道直浇道1 1=0.76=0.76，浇口杯，浇口杯- -直浇道直浇道- -横浇道横浇道1 1=0.58=0.58，浇，浇口杯口杯- -直浇道直浇道- -横浇道横浇道- -内浇道内浇道1 1=0.48=0.48。H H1 1为浇口杯至阻流截面的高度。为浇口杯至阻流截面的高度。7-7 阶梯式浇注系统的设计阶梯式浇注系统的设计阶梯式浇注系统计算简图阶梯式浇注系统计算