浇注系统设计课件

液态金属成型及CAD浇注系统与冒口设计部分1、何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。

缺点：

1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。

2）铸件质量不够稳定。优点：

1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。

2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。2、铸造优缺点

图3-2铸造产品

第一节

浇注系统设计

§3-1浇注系统概念

一、

什么是浇注系统在铸型上用以把金属液体从浇包引入到型腔内所经过的一系列通道称为浇注系统。将金属液体正确引入铸型型腔，对保证铸件的质量起重要作用，一般铸件由于浇注系统设置错误而造成的铸件废品的，约占铸件总废品的30%，使金属液的消耗增加；铸件成本增加

第三章

浇冒口系统设计

三、

浇注系统的组成浇口杯——承接浇包中的液体金属。直浇道——将金属液由浇口杯引入到横浇道。横浇道——将金属液引入到内浇道，阻挡熔渣、气体、砂粒进入型腔。内浇道——将金属液体引入型腔。

§3-2浇注系统类型一、浇注系统按内浇道设置在铸件的不同高度处分类（见图3-2-3.a)、b)、c)、d)）

1.

顶注式浇注系统——内浇道设置在铸件的最高处；

2.

中间注入式浇注系统——内浇道设置在铸件侧面，从铸件中间高度引入；

3.

底注式浇注系统——内浇道设置在铸件最低处侧面或底部；４.阶梯式浇注系统——内浇道设置在铸件一侧不同高度多层式引入；

1.顶注式；优点：金属液自由下落，逐渐地自下而上充满型腔，创造自下而上逐步升高的温度梯度，有利于铸件的方向性（顺序）凝固和自补缩，也有利于在顶部设置冒口补缩，而且冒口尺寸可以较小。浇注系统结构较简单，消耗金属液较少，清理铸件容易。缺点：金属液自由下落，冲击力大，充型不平稳，易发生飞溅，氧化和卷入空气等现象。铸件中容易出现砂眼，冷豆、气孔和夹杂等缺陷。应用：重量不大，不高和形状简单的薄壁或中等壁厚的铸件。顶注式浇注系统的其它形式：雨淋式和压边浇口应用：金属液消耗较大，适用于中型或大型的较高壁厚铸件。结构复杂的铸件。易氧化的合金。３.

分型面（中间）注入式浇注系统

金属液经过开在分型面上的横浇道和内浇道进入型腔。也就是对于分型面以下的那部分是顶注，而对于分型面以上的那部分则为底注，故部分兼有顶注和底注的优点。由于内浇道在分型面上开设，就能方便地按需作出布置，有利于控制金属液的流量分布和铸型的热分布，对形状复杂的铸件十分有利。这种浇注系统应用很普遍，适用于中等重量、高度不大、中等壁厚的铸件。

４.

阶梯式浇注系统金属液应该是先按底注方式又最下层内浇道引入型腔，待金属液面接近第二层内浇道时，才有第二层内浇道引金属液进入型腔，……如此类推，使金属液由下面逐层按顺序充填型腔，最热的金属液经最高的那层内浇道进入型腔顶部或顶冒口中，见图3-2-8。

优点：金属液在充填过程中对铸型的冲击少；液面上升平稳，且逐渐上部分的温度较高有利于渣、气等上浮和排入冒口中，对改善铸件的补缩条件和均匀铸型的温度都有良好的作用。

缺点：结构比较复杂，增大造型、清理等工序工作量。

二、按浇注系统各基本组元截面积的比例分类

1.

封闭式浇注系统——这种浇注系统各组元中总截面积最小时内浇道，也就是说内浇道成了该系统中的阻流截面。统常写成F直＞F横＞F内

特点：浇注系统易被金属液充满，撇渣能力好，可防止气体卷入。但由于内浇道流出的金属液体受该系统中有效压头的直接作用，因此流速较大，有时会发生喷射现象，因而，不适宜用于易氧化的有色金属件或压头大的件，也不宜用于用柱塞包浇注的铸钢件。

2.

开放式浇注系统——一般说来，这种浇注系统就是F直＜F横＜F内，即是系统中的阻流截面在直浇道下端或者在它附近的横浇道上，以期直浇道充满。

特点：它主要适用于易氧化的有色金属铸件，球铁铸件和柱塞包浇注的中大型铸钢件。开放式浇注系统在一定比例和一定条件下，也是可以充满的在铝镁合金逐渐上通常的比例是

F直:F横:F内=1:2:4（二）、浇口盒

对于较大的铸件，为了能较好的初次撇渣和控制流量以及均匀地供给金属，常采用浇口盒，如图3-2-11a所示，金属也从侧面进入浇口杯时，产生二支股流，一支股流在垂直面内运动，会耗损能量，减小流量，但有利于渣和气泡上浮。

另一支股流绕直浇道口作回转运动，当达到某一定速度时就形成水平涡流。涡流中心即为直浇道口，涡流将在金属液自由表面形成一个充满空气的涡管，涡管处压力很低，附近的渣和气会被直接吸入直浇道内，从而降低铸件质量。消除涡流的方法就是①降低浇包高度，②沿浇口盒长度方向浇注时，由于不易产生高速的水平涡流，通常不形成涡流。还有，纵向顺浇：渣等轻质点易进入直浇道。纵向反浇时，产生一个向上的回转作用，有助于渣、气等上浮。（图3-2-13a、b）侧向反浇最好，纵向顺浇次之，测浇底坎作用不明显易形成水平涡流（不好）。图3-2-14d是一种常见的浇口杯形式，其底坎促使液流形成垂直涡流，从而减少杂质进入直浇道。

a)合理b)c)不合理

二、

直浇道直浇道的作用是，将来自浇口杯的金属液引入横浇道、内浇道并最后充填型腔。它提供足够的压头以保证金属液克服沿程的各种阻力，在规定的时间内，以一定的速度充填型腔。一般直浇道锥度为1:50或1:25

浇口杯与直浇道相接处的圆角R≥0.25dh(h直浇道)。图3-2-17水力模拟试验表明：当浇口杯与直浇道入口处联接为尖角时，直浇道呈非充满状态，而且在圆柱形直浇道内为负压流动，所以即使在充满状态下也将出现吸气现象。当带锥度的直浇道内，锥度超过临界值时，将出现正压流动，未有吸气现象。

三、

直浇道窝

直浇道转入横浇道是一个急转弯，如果金属液流速大，将出现严重的紊流和冲刷铸型，设置浇口窝起缓冲作用，减少对铸型的冲刷，还可以流动分布。

四、

横浇道

主要作用：①除了是金属液以均匀而足够的量平稳的流入内浇口外，②其结构开放式还要有利于渣及非金属夹杂物上浮并滞留在其顶部，而不随流进入型腔，故又称为撇渣道。因此希望金属液流流动平稳有利于撇渣。（常用办法利用水力学中局部阻力和沿程阻力的概念来设计横浇道）。

此外，横浇道的结构也有很大的作用：①

横浇道要有延长段（图3-2-21）；②

要有足够长度、足够高度（图3-2-22）；渣一般上浮，V2=2r2(ρ液-ρ杂)/gη液体在横浇道内流动分为V1、V2V1为液流速度，V2为上浮速度渣在V1V2复合作用下运动，应保证金属液入内浇道以前让渣浮到横浇道顶部，留在横浇道内。当V1即金属液流速过快时，紊流加大→渣上浮阻力加大→临界流速约为悬浮速度，渣越小，悬浮速度越小，则危险性越大（越易进入内浇道）。③

在内浇道入口处存在“吸动作用区”（图3-2-23）；这个区域范围略大于内浇道横截面积，并且与内浇道内多层金属液流速V有关。吸动区作用范围随内浇道横截面积的增大及内浇道与横浇道的高度比h内/h横的增大而增大加剧。（图3-2-24）（图3-2-25）将内浇道/横浇道联接处作了修改（图3-2-26）在内浇道前面压缩流线，防止初始金属液慢慢流入内浇道。

五、

内浇道内浇道的作用是控制金属液充填铸型的速度和方向，调节铸型各部分的温度和铸件的凝固顺序。由图3-2-28，可知：如果截面积相等，离直浇道较远的内浇道流出的流量最大，而靠近直浇道的内浇道流出的流量较小，但如果调整浇注系统各族元之间的比例适当，内浇道之间的流量比是有可能调整到彼此较为接近，那也就是说越远的面积越小。

通常用最大相对流量偏差值K来评价内浇道中的流量不均匀性。K=(δmax-δmin)/(Qn-1)δmax——内浇道中最大流量

δmin——内浇道中最小流量

Q——系统中的总流量

n——内浇道的个数（图3-2-29）不同分布的内浇道中，最大流量偏差与F损／F内的关系（图3-2-29）横浇道变截面，变高度，但要考虑吸动区（远端）。（图3-2-29）逐渐减小内浇道面积的浇注系统，K最小速度↑1/3等截面积的浇注系统，K最大速度↑1/2

表3-2-1进入内浇道速度过快是任何时候都不希望的，它可能导致互相混搅，二次夹渣。（内浇道控制流量均性，速度均性）内浇道截面形状，通常是扁梯形，其优点是它的高度底，不易把横浇道内的渣吸入，清理时容易打掉。

§３-２-５

浇注系统充满理论砂型具有透气性，从这种特殊边界条件出发。可知只有金属流的压力P高于型壁的气流压力Pa时，才呈充满状态。这时型壁对金属流有约束作用，除了砂粒承受金属的压力外，砂粒间的微孔所形成的毛细管压力和孔内的气体压力，共同阻止金属液深入孔隙；而液流压力P下降到等于型壁的气体压力Pa时，金属液流开始脱离型壁出现非充满状态。因此，砂型浇注系统的充满条件表示为：

P>Pa3－4－6

下面分析直浇道、横浇道充满条件。Z-ZI-IrhrhiH横3－4－7r-r至i-i截面间流动阻力系数。

若横浇道呈充满流态，依式（3－4－6）知r－r截面上最高点的压力应高于型壁界面的压力。3－4－8同理，内浇道最高点处的压力应等于型腔内气体的压力，近似等于Pa，于是3－4－9hr－r-r截面重心到顶边的距离；hi－i-i截面重心到顶边的距离；

将式3－4－9代入式3－4－8中，消去Pa。然后以式3－4－7减去3－4－8得

简化为

由于已假设浇注系统呈充满流态，即砂型浇注系统截面也就是金属液的截面，由连续方程知，

－r-r截面上流体的缩小系数；

又知：

3-4-10

于是,上式可转化为3-4-11

横浇道充满条件公式3-4-11式中－内浇道的流速系数.当i-i截面充满时，也是内浇道的流量系数；

H－浇注系统总压头同理，在直浇道的任意高度z-z面和内浇道的i-i面之间应用伯努利方程、砂型充满条件和连续方程，可导出直浇道的充满条件及判别式：

3-4-12

式中

为z-z面至断面i-i的总阻力系数

3-4-13其中：－直浇道上口处局部阻力系数；－直浇道段的局部阻力系数－直浇道底部拐向横浇道的局部阻力系数－横浇道至内浇道出口段的局部阻力系数；－z-z面至基准面的距离从式3－4－11和3－4－12可以看出，：若把液态金属视为理想流体，则全部阻力系数均等于零，流量系数μ＝1。只有S直>S横>S内才能满足充满条件，这就是传统的浇注系统充满理论。众所周知，实际液态金属是有粘度的，不能作为理想流体去研究，实际流体的流动阻力影响是不容忽视的。

图3－4－28所示浇注系统，其浇口比为S直：S横：S内＝1:2.5:2.5，浇注时仍呈正压充满状态流动，实际砂型浇注铸铁的试验得到同样的结论。

3－2－6提高横浇道撇渣能力的措施一、几种常见的措施二、使用陶瓷片的金属液郭履技术§3-2-7浇注系统位置的选择浇注系统位置的选择就是选择将金属液引入型腔的位置和考虑怎样安排冒口系统以达到有效充满型腔和控制铸件的凝固过程，才能够获得合格铸件浇注系统开设的原则1)

从铸件的薄壁处引入这种方法适用于薄壁而轮廓尺寸又大的铸件。（因为可以实现同时凝固，应力小，适合收缩不大的灰铁铸件）2)

从铸件的厚壁处引入创造顺序凝固，有利补缩铸件，（适合有一定壁厚差而凝固时合金的收缩量较大的铸件，如铸钢件）３)

内浇道尽可能不开在铸件重要部位局部过热，粗大(组织)易缩松４)

内浇道要引导液流不正面冲击铸型、砂芯等５)

浇注系统位置选择，应该使金属液在型腔内流动路径尽可能短，还应考虑不妨碍铸件收缩６)

内浇道应开在加工表面

§3-2-8浇注系统的计算类型、位置确定之后，浇注系统各单元尺寸如何计算？至今没有一个理论计算方法，可以把充填过程相互联系起来（因浇金属液体是变温的流体）。型腔尺寸而只能近似的计算。把金属液体看成是温度不变的流体。然后和用水力学原理加以计算，把浇注系统看成是一系列的管道。

设计思想：通常是先计算出浇注系统中控制液流速度的最小总截面积或者阻流截面积的尺寸F阻，然后从所推荐的浇口比中选择最接近现场具体情况的浇口比（经验值），进而求出各组元的截面尺寸，再通过实际浇注检验其效果，发现问题作相应的修改，直到合格铸件为止。

一、

常用浇注系统计算公式把充满浇注系统的金属液当作一种流体，在利用水力学经验数据得出浇注系统其他各组元的尺寸，这是转包浇注铸件常用的计算方法。这类计算公式中没有考虑到柱形散热及金属液温度和化学成分的影响。计算模型：根据充填状况不同：１）顶注，（液流从上往下）２）

底注，（液流从下往上）

为此，设计的以分型面浇注系统，兼顾了两种情况如图3-2-44

第一种情况：填充下型特点：出口处和浇口杯之间液柱高度不变，当最小截面是内浇道时，根据，伯努力方程得出：其中：H－内浇道以上金属静压头；V－金属液由内浇道流出的速度；－总的阻力损耗，－浇注系统中总的阻力系数①第一种情况下充填型腔的金属液质量式中：F阻－阻流截面面积－表示真实具有粘度的流体和没有粘度的理想流体之间的比值，称为流流量系数。于是：第二种情况：充填内浇道以上的型腔部分，此时，内浇道出口处压头P将不是零，而是内浇道以后的各种阻力之和，（包括内浇道出口处以上的型腔内金属液的平均静压力h’和型腔内的总阻力损失∑h型损或于是，应用伯努利方程：

设H均－作用在内浇道中金属液上的实际压头的平均计算值于是，当充填时间为τ

时式中：流量系数

m2

第二种情况下充填型腔的金属液重量式中：①金属液的重量m1、m2可以计算或承重②τ及μ、τ’、μ’可以通过查表计算出来

将上述两种情形合起来，形成同时则为（或换算成m1=……m2=……然后相加）

H均

=H０充下型m——流经阻流断面的金属总质量τ——流经全部型腔时间μ——浇注系统阻流截面的流量系数这里H均

、τ及μ待计算（一）、确定平均压头H均要保证里直浇道最远的铸件的最高部位能充满和轮廓清晰，铸件最高点与浇口杯液面之间必须保持一个最小压头

HM——剩余压头，它是否足够可用下式进行核算

HM=Ltgα式中：L——自直浇道顶面中心支柱性中铸件最高最远点的水平距离。

α——压力角，按表3-2-3确定

这样结合铸型高度P，直浇道高度确定了

H0=HM+P

其中：P－上型高度，HM－剩余压头

H均如何计算→采用直浇道所做的功来计算，平均压头H均①

充填内浇道以下的下型部分所消耗的功为：A1=m1gH0②

充填内浇道以上部分所消耗的功为：

A2=m2g[H0+（H0-P）]/2

③

充填整个铸型所消耗的功为：A=A1+A2=m1gH0+m2g（H0-P/2）=（m1+m2）gH均假设：在整个铸件高度上铸型截面是相等的。则m1=S﹒P

m2=S（C-P）式中：C—铸件总高度P—上型高度S－面积则：(C-P)H0+P(H0-2P)=CH均

H均=H0-P2/2C不同类型浇注系统所采用的H均

见表3-2-4（二）、浇注时间τ的确定计算浇注时间可采用经验公式，表3-2-5

浇注时间：充满浇注系统和铸型所需的时间叫浇注时间．球铁、铸铁、铸钢、铜合金、铝合金都有各自的公式浇注速度：浇注全部液量/浇注时间。

浇注时间决定浇注速度：流速大：易冲砂，但辐射小，局部过热小，多用于浇

薄、复杂件，易产生夹砂。浇速小：浇注平稳，冲击小，减小冲砂或胀砂危险，但对铸型辐射加剧，易产生夹砂、粉砂，生产率低的因此，浇注速度要适合（通过限制浇注速度，反过来验算浇注时间）钢水上升最小速度表３－２－７铁水上升最小速度表３－２－８

V升＝铸型高度／浇注时间（三）、流量系数μ

流量系数μ是浇注系统内沿程摩擦损耗和涡流损失的函数，它随流道的形状、尺寸、柱形的性质、流速等不同而变化。一般为0.3—0.8。具体可根据表3-2-9可查。

四）、浇注系统各组元的截面比浇注系统各组元的截面积一般都根据经验数据确定，经验不足时可以先按类比的方法选用，再通过实际浇注验证后确定。下面是推荐的一些F直:F横:F内的比例值：灰口铸铁：1:0.75:0.5

球铁：1:0.90:0.8

铸钢：1:2.00:1.5、1:3:3、1:2:2

铝合金：1:6:6、1:2:4

铜合金：