第三章 浇注系统的设计与计算

第一节浇注系统一、浇注系统的组元浇口杯：接纳、引入金属直浇道：引入金属，形成压头横浇道：引入金属，阻撇熔渣内浇道：引入金属，调控温度场第三章浇注系统的设计与计算

二、对浇注系统的要求足够的浇注速度，流动平稳，满足一定时间内充满型腔；防止冲砂，防止铸件出现夹砂、冷隔等缺陷；防止旋涡，防止吸气或金属过度氧化；内浇道的位置和数量符合铸件所需凝固或补缩原那么；结构合理，造型简单；浇注系统本身消耗金属少。三、浇注系统的类型

1.顶注式

a)普通式b)楔形式

c)压边式d)雨淋式

e)搭边式

〔一〕按内浇道在铸件上的位置分压头大，流动阻力小，能够减少浇缺乏、冷隔缺陷；温度分布上高低低，铸件补缩效果好对型腔底部冲击力大，易激溅、氧化、卷入空气，可造成砂眼、铁豆、气孔、氧化夹渣等缺陷。顶注式的优缺点优点缺点优点：充型平稳。横浇道、内浇道充满时利于挡渣；能够减少金属氧化。缺点：温度分布下高上低，铸件补缩效果不好；内浇道附近易于过热，易发生缩松和晶粒粗大等缺陷；铸件顶部、遥远处容易形成浇不到，冷隔等缺陷。应用：主要用于结构复杂的各种黑色金属铸件和易氧化的有色合金铸件。底注式的优缺点汽缸头中间浇注综合有顶注式和底注式的优缺点；内浇道、横浇道设在分型面上，造型方便。中间浇注应用广泛

兼有底注式和顶注式的优点，充型平稳。但结构复杂，设计和计算较难。用于高度大的中、大型铸件。阶梯式或缝隙式用于垂直分型无箱挤压造型或金属型铸造阶梯式的优缺点1、封闭式浇注系统

∑Ａ内<∑Ａ横<Ａ直一般为∑Ａ内：∑Ａ横：Ａ直＝1：1.1：1.15特点：

挡渣力强，金属消耗少，易清理；充型流速高，易喷射冲砂；用于不易氧化的金属。

〔二〕按浇注系统各组元截面积的比例关系分

２、开放式浇注系统∑Ａ内>∑Ａ横>Ａ直

开放式浇注系统初期各组元不可能全充满，撇渣能力较差，充形流速不高；冲刷力小，受氧化的程度轻。用于易氧化的有色合金铸件、球铁铸件。对于铝、镁合金，常用开放式浇注系统。各组元截面积比可参考应用：

Ａ直：∑Ａ横：∑Ａ内=1：2：4四浇注系统组元设计中的创新思维1、浇口杯中加过滤网，浇口盆中采用挡渣措施。

3、提升横浇道的撇渣效果

前过滤阻流式缓流式离心集渣式轻合金浇注系统中安装过滤网4、内浇道的设计1〕内浇道的作用：控制液态金属充型速度和流动方向、温度分布和凝固顺序。2〕形状：扁平梯形、月牙形和三角形。3〕位置的选择：依据铸件所需凝固方式和流动特性考虑。同时凝固：对于壁厚均匀的铸件，拟采用多个内浇道分散引入；对于不均匀的铸件，那么从薄壁处引入。顺序凝固：从厚壁处引入金属液。5、确定内浇道位置的几个具体问题结构复杂的铸件，壁厚差异大的补缩区域那么按顺序凝固从厚处引入；整个铸件按同时凝固方式采用多个内浇道充型。要求各内浇道的流量分布合理。液流顺壁流入，不冲刷型壁、型芯和铸型凸出局部。避开铸件重要部位，防止晶粒粗大。造型、清理操作方便，不阻碍铸件收缩。第二节浇注系统的计算1、奥赞(Osann)公式—阻流〔最小〕截面积的计算。阻流〔最小〕组元指浇注系统中最小截面积的浇道，一般为内浇道，即A阻=

1〕金属充填型腔时平均静压头Hp的计算

根据水力学相关公式推导得知，对于从分型面注入：Hp=Ho–P2/2C式中Ho—阻流面以上的金属液静压头，mm;P—阻流面以上的型腔高度，mm;C—铸件高度，mm;对于

顶注式

：P=O,Hp=Ho底注式

：Hp=Ho-

C/22〕浇注时间确实定浇注快慢对铸件质量有重大影响。浇注时间主要根据合金性质靠生产经验选择。球墨铸铁件的浇注时间参照图示曲线查询。一般采用快浇。对于收缩大的合金件，采用慢浇有利于补缩。3〕流量系数μ确实定铸铁件流量系数铸钢件流量系数球墨铸铁件流量系数计算步骤：以内浇道为阻流〔最小〕截面，用奥赞(Osann)公式计算每个内浇道截面积。式中Hp可用浇口杯中液面到内浇道中心的距离Ho计算。配套措施：1〕浇口杯应足够大；2〕严格控制浇注时间。各层铸件内浇道的金属压力头：

h1=100mm；

h2=250mm；

h3=350mm。2、计算型内金属质量m/kg型内金属质量〔即铁水质量数〕为2×12/0.7=34.3kg。3、浇注时间生产节拍为12S/型。查表浇注时间为8S。约用2S充满浇注系统，那么充填单个型腔的净浇注时间为6S。每个型腔的浇注速度应为2kg/6S≈0.33kg/S。计算实例：1、绘制模板布置简图

4、选用浇口杯根据铸型的浇注速度，使用4号浇口杯，铁液积存5.5kg；5、分别计算或由内浇道计算诺谟图查各层内浇道截面积：〔流量系数取μ=0.5〕S1=70mm2；S2=45mm；S3=38mm2。6、分直浇道截面积∑S内=2×〔70+45+38〕=306mm2,S分直=1.2×S内=306×1.2=367mm2分直浇道的截面尺寸：上底宽11mm；下底宽22mm；高22mm。实际：S分直=363mm2。7、水平横浇道尺寸S横=1.3×363mm2=472mm2。选上底宽12.5mm；下底宽25mm；高25mm；实际截面积469mm2。小结—浇注系统设计步骤选择浇注系统类型；确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引入方向；决定直浇道高度〔一般取决于砂箱高度〕；计算浇注时间并核算金属在型内的上升速度；计算阻流〔最小〕截面积；确定组元截面积比；于铸造工艺上绘制浇注系统结构及组元截面图。复习题1．浇注系统由哪些局部组成？分别说明各个组元的作用？2．比较顶注式和底注式浇注系统的优缺点。3．比较封闭式和开放式浇注系统的优缺点。4.如何提高横浇道的撇渣效果？5.内浇道在铸件浇铸中能够起到哪些重要作用？6．确定内浇道位置要注意哪些具体问题？7．如何应用奥赞(Osann)公式计算阻流截面积？如何确定或计算式中各个工艺参数？8．一铸铁件重5吨，平均壁厚为30毫米，试求浇注时间？假设为铸钢件，其浇注时间应为多少？第三节冒口、冷铁与铸肋１、冒口的作用：补缩、排气、集渣冒口种类普通冒口顶冒口、暗冒口侧冒口

特种冒口大气压力冒口发热冒口保温冒口铸铁件的实用冒口浇注系统当冒口控制压力冒口２、冒口种类一概述球形

圆柱形〔带斜度〕

球顶圆柱形

腰圆柱形

暗腰圆柱形４、冒口形式a〕铸钢件明边冒口b〕铸铁件暗边冒口３、冒口形状

５、冒口位置1、铸件热节上方或侧旁；2、铸件最高最厚部位；3、一个冒口同时补缩几个铸件；4、不选应力集中部位，希望放在加工面上；5、用冷铁隔开冒口的补缩范围。

二

铸钢件冒口的设计与计算冒口必须提供足够的金属液，补偿铸件凝固的体收缩,条件应有：即Vr=Vcε/(η-ε)式中：Vr—冒口体积；Vc—铸件体积；

Ve—型壁移动所扩大的体积；ε—体收缩率；

η—冒口补缩效率。≤

常用合金的体收缩率ε

冒口种类或工艺措施η（%）圆柱或腰园柱形冒口球形冒口补浇冒口时浇口通过冒口时发热保温冒口大气压力冒口12～1515～2015～2030～3530～5015～20冒口的补缩效率η铸件材质ε（%）中碳钢wc=1%钢灰铸铁白口铸铁纯铝纯铜2.5～3.04.01.9～膨胀4.0～5.56.64.92〔一〕应用模数法计算冒口尺寸1、模数概念冷凝物体的模数是它的体积V和散热面积A之比。即M=V/A计算原理是基于冒口的凝固时间τr

大于铸件补缩部位的凝固时间τc

，即τr≥τc

而

τc=；τr

=∴

≥式中Mr、Mc—冒口与被补缩铸件部位的模数；Kr、Kc—冒口与被补缩铸件的凝固系数。对于普通冒口，Kr=Kc，∴Mr=fMcf—冒口平安系数，一般取f=1.2。对于碳钢、低合金钢铸件侧冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2内浇道通过冒口：Mc:Mn:Mr=1:〔1～1.03〕:1.2顶冒口：Mr=〔1.2～1〕Mc式中Mn为冒口颈的模数。2、简单几何体及热节部位模数的计算〔参照教材P106-P107〕用“一倍厚度法〞求热节模数a〕平板或圆柱〔a≥5T〕：M=T/2b〕矩、方形体：M=ab/2〔a＋b〕c〕立方体、圆柱体、球：M=a/bd〕空心圆柱体：M=a/23、模数法冒口设计步骤把铸件划分为几个补缩区，按简单几何体及热节点模数公式计算各区的铸件模数Mc。计算冒口及冒口颈的模数。确定冒口形状和尺寸〔应尽量采用标准系列的冒口尺寸〕。检查顺序凝固条件，如补缩距离是否足够，补缩通道是否畅通。应用Vr=Vcε/(η-ε)公式校核冒口补缩能力。4、冒口设计计算举例铸钢件：ZG310-570；710kg。1).求铸件模数Mc上、下凸缘共计四个冒口。每个冒口补缩半个凸缘。依据教材表4-8中管与法兰相交计算图中：b=20cm；非冷却面c=8cm；取热节圆直径Dr=a=10cm代入得

Mc=3.84cm暗冒口顶冒口

顶冒口

暗冒口2).求Mr、Mn冒口模数Mr=1.2Mc=4.6cm；底部用侧暗冒口，冒口颈模数Mn=1.03Mc=4cm。3).体收缩率〔ZG310-570〕取ε=5％4).确定冒口形状与尺寸顶部设计为明腰圆柱形冒口，取Mr=4.5cm；其根部尺寸a=170mm，b=380mm；单个冒口质量m=129kg，单个冒口最大补缩能力为280kg。底部侧暗冒口亦取Mr=4.5cm，根部直径d=120mm，高360mm；冒口颈宽240mm，颈高127mm，单个冒口最大补缩能力为195kg。5).校核冒口数量近似地用圆筒φ400计算法兰热节中心周长πd=1256mm，显示侧暗冒口数目缺乏，但根本满足要求。6).校核冒口最大补缩能力四个冒口总质量为950kg，有足够钢液提供补缩。〔二〕应用补缩液量法计算冒口尺寸原理:①铸件、冒口的凝固层增长速度相等；②冒口内供补缩用的金属液体积〔名义缩孔体积〕为直径d0的球。③冒口凝固层厚度为铸件厚度之一半。④冒口中缩孔球直径d0等于冒口直径与铸件厚度之差。

冒口铸件即

d0=Dr-T

∵根据经验，取冒口高度

Hr=〔1.15～1.8〕Dr注：令直径为d0的球体等于铸件被补缩的金属液体积。∴Dr

—冒口直径。式中ε—体收缩率；Vc—铸件体积；〔三〕应用比例法计算冒口尺寸应用比例法计算冒口尺寸简单易行，广为采用。现以轮形铸钢件为例，介绍应用比例法计算冒口尺寸。1、热节圆直径dy确实定根据零件尺寸加上加工余量和收缩量在图上直接量出。2、按比例确定轮缘冒口尺寸⑴放上冒口补贴沿冒口方向在铸件断面上为增加补缩效果而逐渐增厚的多余金属，被称为冒口补贴。⑵冒口补贴按以下经验公式计算

d1=〔1.3～1.5〕dy；

R1=Rc＋dy＋〔1～3〕mm；

R2=〔0.5～1〕dy。⑶冒口尺寸暗冒口：Br=〔2.2～2.5〕dy

明冒口：Br=〔1.8～2.0〕dyAr=〔1.5～1.8〕BrHr=〔1.15～1.8〕Br碳钢件冒口的有效补缩距离如下图。平板铸件的缩松区板件及杆件铸钢冒口的有效补缩距离a〕宽厚比≥5：1b〕宽厚比＜5：1⑷关于冒口有效补缩距离的说明补缩的根本条件：凝固时间应大于或等于铸件被补缩局部的凝固时间；有足够的金属液补充铸件〔或铸件被补缩局部〕的收缩；铸件上被补缩部位内必须保持有通畅的金属液补缩通道。冒口有效补缩距离：指在铸件壁的某一段长度或高度内具有有效补缩。板形铸钢件：L=4.5T杆形铸钢件：L=30√T

如上图所示，冒口有效补缩距离

L=冒口区+末端区L与铸件的结构、合金成分、冷却条件有关。灰口铸铁件：L=〔6～10〕Dr球墨铸铁呈“糊状凝固〞,冒口的有效补缩距离较灰铸铁小，其不同条件下的湿型试验数据参见下表。铸件壁厚δ/mm水平补缩垂直补缩湿型湿型湿型壳型6.35——31.75————12.70101.6-114.3101.688.988.915.86————127.0——25.4101.6-127.0114.3127.0165.138.1139.7-152.4————228.6应用铸件边缘多处布置外冷铁增加中间激冷端的方法,能够大大延长冷铁末端区的长度,从而可以显著加大冒口有效补缩距离。冷铁对冒口有效补缩距离的影响〔5〕布置外冷铁加大冒口有效补缩距离〔四〕铸件工艺出品率的校核