铸造浇注系统设计讲解

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1、第七章 浇注系统设计 本章主要讲授浇注系统类型的选择，浇注最小截 面尺寸的计算，其它铸造合金浇注系统的特点。要 求掌握浇注系统的选择原则。 重点为浇注系统的选择原则和确定浇注位置，难 点为浇注系统选择原则的灵活应用。 概 述 浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道之总称 组成：浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道、内浇道 正确设计浇注系统使液态合金平稳合理的充满型 腔，对铸件品质影响很大，铸件废品中的30%是因浇注 系统不当引起。 浇注系统的组成 浇注系统设计原则 l使液态合金平稳充满铸型，不冲击型壁和型芯， 不产生涡流和喷溅，不卷入气体，并利于型腔内 的空气和其他气体排出型外，防止金属液过度氧

2、化及产生砂眼、冷豆、气孔。 l阻挡夹杂物进入型腔，以免在铸件上形成渣孔。 l调节铸型及铸件各部分温差，控制铸件的凝固顺序 ，不阻碍铸件的收缩，减少铸件的变形和开裂倾向 。 l合金液流不应冲刷冷铁和芯撑。防止冷铁的激冷效 果降低及表面熔化，避免芯撑过早软化和熔化，造 成铸件壁厚变化 浇注系统设计原则 l浇注系统尽可能结构简单紧凑，占砂箱面积小，体 积小，有利于减少冒口体积，节约合金和型砂，提 高砂箱利用率，方便造型、清理和浇注系统模样的 制造 l使液态合金以最短的距离，最合适的时间充满型腔 ，有足够的压力头，并保证金属液面在型腔内有必 要的上升速度等，以确保铸件的质量； l起一定的补缩作用，在内

3、浇道凝固前补给部分液 态收缩 浇注系统的设计内容与步骤 选择浇注系统的类型和结构； 合理地在铸型中布置浇注系统及确定内浇道的引入 位置和个数； 计算浇注时间和浇注系统中的最小断面积，确定直 浇道的高度（如有浇口杯则从杯中液面高度算起） 按经验比例数据决定其他组元的断面积； 大批量生产时需经过生产阶段的反复，如有不足之 处，应调整以上各项设计内容，甚至修改工艺方案 ，直到合理并保证质量为止。 第一节 液态金属在浇注系统的流动 l型壁的多孔性、透气性和合金液的不相润湿性，给合金液的 运动以特殊边界条件 l在充型过程中，合金液和铸型之间有着激烈的热作用、机 械作用和化学作用；合金液冲刷型壁，粘度增大

4、，体积收 缩，吸收气体、使金属氧化等； l浇注过程是不稳定流动过程 在型内合金液淹没了内浇道之后，随着合金液面上升， 充型的有效压力头渐渐变小 型腔内气体的压力并非恒定 浇注操作不可能保持浇口杯内液面的绝对稳定 一、砂型流动的水力学特点 l合金液在浇注系统中一般呈湍流状态 l多相流动 一般合金液总含有某些少量固相杂质、液相夹杂和气 泡，在充型过程中还可能析出晶粒及气体，故充型时 合金液属于多相流动 一、砂型流动的水力学特点 浇口杯作用： l 用来承受来自浇包的金属液流并引入直浇道， 防止过浇而溢出； l 避免流股直冲直浇道，减少液流对铸型的冲击 l 有一定的挡渣作用； l 当砂箱高度低、压头不

5、够时，又可用以增加金 属液的静压头。 二、浇口杯中的流动 浇口杯分类：漏斗形浇口杯、池盆形浇口杯 二、浇口杯中的流动 漏斗形浇口杯 特点：结构简单，制作方便，容积小，消耗金属液少； 只能用来接纳和缓冲浇注的金属流股，挡渣能力小； 应用：主要用在小型铸铁件及铸钢件，广泛用于机器造 型。 结构：漏斗口的直径应该比直浇道大一倍以上。可用带 滤网的漏斗形浇口杯。 池盆形浇口杯 特点：挡渣作用明显，但是制作程序复杂，消耗 的金属较多 应用：主要用于中大型铸铁件。 结构：浇口盆 的深度应该大 于直浇道上端 直径的5倍。 浇口杯中应避免出现水平涡流 液态金属在平底的浇口杯中 流动 时易出现水平涡流。 流量分

6、布不均匀造成流速方 向偏 斜。水平分速度对直浇 道中心线 偏斜，形成水平涡 流运动。在涡 流中心区形成 一个漏斗形充满空 气的等压 自由液面的空穴。容易 将空 气和渣子带入直浇道。 原因：水平各向流量不均 衡造成流速方向的偏斜。 若忽略金属粘度的影响，视液态金属为理想流体， 浇口杯内液态金属应满足动量矩守衡： Mvr=常量 式中：M 距离直浇道中心为r处的质点的质量 v M点的切线速度 r M点距离直浇道中心的距离。 漏斗形等压自由液面的形成：一旦出现水平旋涡， 越靠近中心，M质点的离心加速度越高，重力加速 度和离心加速度的合成加速度越接近于水平，根据 流体力学原理，等压面垂直于总加速度方向。

7、等压 面逐步由水平过度到垂直，形成中空的大气压力表 面。 对铸件质量的影响：卷气、渣沿等压面进入型腔。 影响水平旋涡的因素 浇口杯中金属流股的水平分速度越大，越容易形成水 平旋涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关： a 浇口杯内液面的深度：液面深度超过直浇道上端直 径的5倍时可基本消除水平旋涡。 b 浇注高度：浇包嘴离浇口杯越高，越容易产生水平 旋涡。 c 浇注方向：逆向浇注较顺向浇注为佳。纵向逆浇不 易形成水平涡流，而纵向顺浇易将夹渣带入型腔；带 底坎时，侧向浇注时金属液可能绕过底坎从另一侧进 入直浇道形成水平涡流。 图 底坎和浇注方向对液流流向的影响 a) 纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧

8、向浇注 纵向顺浇方便浇注工作，不易产生垂直涡流，轻 质点夹杂物进入直浇道的可能性大； 纵向逆浇易形成垂直涡流，有助于夹杂物上浮。 侧向浇注形成垂直涡流的可能介于上述两者之间 ，液流从一侧流向直浇道，易形成水平涡流。 图 底坎和浇注方向对液流流向的影响 a) 纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧向浇注 生产中减轻水平旋涡的措施 a 用大深度浇口杯 b 浇口杯底部安放筛网等 c 在浇口杯底部设置堤坝，形成垂直旋涡。 垂直旋涡的挡渣作用： 金属液沿斜壁流下，由 于流速的减低和流向的 改变，形成垂直方向的 旋流。 在池形浇口杯中增设隔板和在浇口杯出口处又有 底坎，就能把浇包落入浇口杯中流股的紊乱搅拌 作用限

9、制在浇注区范围内，且能急剧改变流股方 向，形成使轻质点杂质上浮的流向。 a)合理 b)不合理 d 用拔塞等方法，使浇口杯内液面达到一定深度时 再向直浇道注入 即使带隔板和底坎（或凹坑）的浇口杯，也不能 完全阻挡浇注开始时液流带入的气体和夹杂物， 故浇注重要铸件时，常在浇注前用各种方法将直 浇道堵住，等浇口杯充满后再打开，并一直保持 浇口杯的液面高度。 浇口杯的结构设计 1)浇口杯中金属液面的高度：H5d直上，而且浇口 杯与直浇道要采用圆角连接, r0.25d直上； 2)采用纵向逆浇，设置底坎、挡板和闸门等； 3)采用特殊结构的浇口杯：拔塞式、浮塞式、铁隔 片式、闸门式等； 4）浇口杯与直浇道相

10、连的边缘做成凸起状。 直浇道的功用： l 引导金属液进入横浇道、内绕道或直接导入型腔； l 提供足够的压力头，使金属液克服各种流动阻力， 在规定时间内充满型腔。 三、直浇道中的流动 直浇道形状： 常做成上大下小的锥形 、等断面的柱形和上小下大 的倒锥形。 （1）液态金属在直浇道中的流动特点 直浇道一般不能挡渣，而且金属液通过时容易带 入气体。当气体被卷入型腔时而又不能顺利逸出时 就会在铸件中形成气孔。 1）水模拟实验真空吸气理论 实验条件：采用有机玻璃模型，制作浇口杯和直浇道两组元浇 注系统，采用水模拟的方法，采用尖角、圆角连接形式，采用 等断面和变截面的直浇道结构。 l 直浇道入口处的形状影

11、响液流分布：尖角连接时直 浇道内呈不充满流动；圆角连接时则为充满状态。 l 直浇道形状影响液流的内部压力：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。 l 有锥度的直浇道呈 充满状态，且呈正压 流动，从直浇道上 的小孔流水；而等 断面的直浇道虽然 也呈充满状态，但 是却呈负压流动， 吸入气体； （1）液态金属在直浇道中的流动特点 直浇道的流动特点 （1）两种流态：充满和不充满。非充满状态易带气，但在 底注包浇注时或用阶梯浇注系统时采用。 （2）非充满直浇道中金属液以重力加速度做等加速运动， 流股必定向内收缩；流股内部与砂型表层气体之间无压力差 ，气体不可能被吸入，而是被金属表

12、面吸收和带走。 （3）直浇道入口形状影响金属流态。入口尖角时，增加流 动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈 充满流态，要求入口处圆角半径rd/4。 （4）水利学模拟实验与砂型中实际流动状况有差异。 （5）砂型中直浇道充满的理论条件。 26 2）真空吸气理论 假设条件： 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； 直浇道为等断面结构。 如图所示，选择直浇道的 出口2-2为分析的基准面，则 伯努利方程可写为： 其中，Z2=0，P2=Pa，整理得： 由于是稳定流动，根据连续流动定律，有： F1V1=F2V2， F1=F2，V1=V2 则 因为Z1远远大于h1-2

13、，所以，（P2-P1）/0，P2 P1 ，P2 =Pa，Pa P1 。 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 度存在，流体经过浇注系统时要吸入气体。 1）、入口处的连接 (与浇口 杯连接处) 采用圆角，一般要求入 口处圆角半径rd4(d为 直浇道上口直径)。 这样可以减少气体的卷 入和避免尖角型砂被冲掉引 起冲砂缺陷。 直浇道结构设计 防止液流带入气体和冲砂，设计直浇道时应注意 以下几点： 直浇道的形状上大下小的锥形即设计锥度 2）直浇道的形状 则：v2v1, 可使P2S内 实际情况：液态金属有粘度，流动阻力有较大的影响。 S直：S横：S内=1:2.5:2.5时仍呈正压充满状

14、态。 第二节 浇注系统的基本类型及选择 1、浇注系统的分类 浇注系统常用的分类： l 根据各组元断面比例关系的不同： 封闭式、开放式 按内浇道在铸件上的相对位置不同： 顶注式、中间注入式、底注式、阶梯式 二、封闭、开放式浇注系统 封闭式浇注系统 阻流在一个浇注系统中截面积最小的浇道 S内 S横 S直，例如1: 1.2 : 1.5 封闭式浇注系统可理解为正常浇注条件下，所有组元能被 金属液充满的浇注系统，也称为充满式浇注系统。（因全部 截面上的金属液压力均高于型壁气体压力，故是有压或正压 系统）。 优点：阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。 缺点： 进入型腔的金属液流速度高，易产生喷溅和

15、冲砂，使 金属氧化，使型内金属液发生扰动、涡流和不平静。 应用：主要应用于不易氧化的各种铸铁件。对于容易氧化的 轻合金铸件、采用漏包浇注的铸钢件和高大的铸铁件，均不 宜使用。 开放式浇注系统 S内S横 S直；例如1.5 : 1.2 : 1 在正常浇注条件下，金属液不能充满所有组元的浇注系统，又 称为非充满式或非压力式浇注系统。在金属液流未能充满的部 位存在着等大气压力的自由表面。 完全开放式浇注系统在内浇道被淹没之前，各组元均呈非 充满流态，几乎不能阻渣而且会带入大量气体。因此，使用转 包浇注的铸铁件上不宜应用这种浇注系统。 主要优点：进入型腔时金属液流速度小，充型平稳，冲刷力小 ，金属氧化轻

16、。主要缺点：阻渣效果稍差，带入气体 ，金属消 耗略多。 应用：轻合金铸件、球铁件等。漏包浇注的铸钢件也宜采用开 放式浇注系统，但直浇道不能呈充满态，以防钢水外溢，造成 事故。 3半封闭式浇注系统 这种浇注系统的特点是S横S直S内。即阻流截面是内 浇道，横浇道截面积最大，直浇道一般是上大下小的锥形， 浇注时，直浇道很快充满，而横浇道充满较晚，故可降低内 浇道的流速，使浇注初期充型平稳，对铸型的冲击比封闭式 的小；在横浇道充满后，因其中的金属液流速较慢，所以挡 渣比开放式的好，但浇注初期在横浇道充满前，挡渣效果较 差。 适用于各类铸铁件，尤其球墨铸铁件及表面干型 生产上常常使用介于这两者之间的半封闭式和封 闭开放式浇注系统； 4、封闭开放式式浇注系统 特点：控制流量的阻流断面位于直浇道下端，或 在横浇道中，或者在集渣包出口处等，故浇注系 统各组元的断面比例相应的存在以下关系 S杯S直S集渣包出口40mm以及所有水平 位置浇注的平