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1、第三章 浇冒口系统设计 冒口系统设计 材料科学工程系 吴士平 1 一 冒口的作用 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 则在铸件上设 置冒口 冒口 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 均会形成孔洞 缩孔 缩松 2 3 4 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 特性有关 也与冒口自身设计有关 对于逐层凝固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 可以有效地防止缩孔和缩松 对于糊状凝固的合金 冒口的作用很小 适当设置小冒口 可以在一定限度上减 少缩孔缺陷和减少缩松缺陷
2、 5 二 冒口的类型及设计原理 冒口种类 按冒口在铸件上的位置分 顶冒口 位于铸件的最高处 侧冒口 设置在铸件的热节点处 补贴冒口 方向凝固 局部冒口 6 2 按冒口结构分 矩形冒口 圆柱形冒口 球型冒口 3 按冒口内腔与大气之间关系 明冒口 暗冒口大气压力冒口 发气压力冒口 7 8 9 三 冒口的设计原则 一 设置冒口的必要性 10 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
3、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 11 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 12 13 14 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 口的效果和造型及去除冒口时是否方便 图 3 13是常采用的几种冒口形式 15 16 四 决定冒口的尺寸 1 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 2 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 由于型腔扩大而增加的体积 而且要力求铸 件的成品率高 3 冒
4、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 道畅通 17 五 校验方向性 顺序 凝固和多冒口的 综合效果 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 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 陷 18 冒口的设计及计算 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 冒口的设计 凝固时间原则 模数法 几何关系原则 缩管法 热节圆法 19 一 模数法 模数 体积和散热表面积的比值称模数 M V A 其中 M 模数 m V 铸件体积 m3 A 散热表面积 m2 模数法 根据铸件凝固理论
5、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 M小的 铸件凝固时间短 M大的铸件凝固时间长 模数方 法计算冒口尺寸就是建立在模数的基础之上 20 模数法基本原理 按顺序凝固的基本条件 冒口凝固时间 r应 大于铸件被补缩部位的凝固时间 c 已知 式中 Mr Mc 为冒口 铸件的模数 Kr Kc 为冒口 铸件的凝固系数 Kr Kc 一般情况下 得 21 一般取 f 1 2 则 Mr f Mc f 为冒口系数 f 对碳钢 低合金钢铸件 冒口 冒口颈和铸件模 数关系 侧冒口 Mc Mn Mr 1 1 1 1 2 顶冒口 Mr 1 2 1 0 Mc 内浇道通过冒口 Mc Mn Mr 1 1
6、1 03 1 2 22 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 式中 Vc Vr Ve 铸件 冒口 型壁移动扩大的体积 金属液的收缩率 冒口补缩效率 23 结果 铸件模数 查表 按Mr 1 2Mc 计算得出冒口的模数 再查表 分别求出圆柱形 腰圆形 明冒口 或圆柱形 按冒口的尺寸 设计步骤 将铸件划分几个补缩区 计算各区的铸件 模数 计算冒口 冒口颈的模数 确定冒口的形状和尺寸 检查顺序凝固条件 补缩距离 核验冒口补缩能力 按表 Vr 冒口体积 v 铸钢件的收缩率 24 25 M 1 1 25 M M 1 1 143 M M 1 1 151
7、M 26 计算实例 ZG 齿轮如图 所示 其收缩率 约为 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 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 首先计算轮缘铸件部分的模数 Mc Vc Ac 1 96 27 28 为了保证冒口比铸件晚凝固 一般取Mr 1 2Mc Mr 1 2Mc 2 35 查标准腰圆形冒口表 当收缩率 Mr 2 42cm 每个冒口能补缩最大铸 件体积 4 8L 重量37kg 时冒口的尺 寸为 a 100mm b 200mm h 150mm h 1 5a 29 2 轮毂冒口计算 把轮毂同样看成长方形杆 则 Mc 1 92cm Mr 1
8、2Mc 2 3cm 查标准圆柱形暗冒口表 当Mr 2 38cm 收缩 率为5 每个暗冒口能补缩的最大铸件体积 为4 1L 重量32kg 时 冒口的尺寸为 120mm 188mm h h 1 5d 可见设计 一个冒口已经足够 30 如果考虑砂芯的影响 按照表 取 k 1 5 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 加大杆的厚度 Mc 2 36cm Mr 1 2Mc 2 83cm 查同一表得 冒口的尺寸 150mm 225mm h 这个冒口可能偏大 要通过试浇来选定 31 二 补缩液量法 假设 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
9、直径d0的球 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 则冒口中凝固层 厚度也为铸件厚度的一半 因而冒口中缩孔球 直径d0等于冒口直径与铸件壁厚之差 32 H d0 Dr T 33 即 d0 Dr T 则 Dr T d0 T 铸件壁厚 d0 冒口直径 而且直径d0的球体积应等铸件 被补缩部分 的总体收缩容积 即 d03 Vc 34 Vc 铸件体积 金属凝固体收缩率 值查表 然后计算出Vc 再通过d0计算公式求 出补缩球直径d0 最后用Dr公式求出冒口直径 Dr 实际应用中 冒口高度大于冒口直径 取 Hr 1 15 1 8 Dr 35 三 热节圆法 实践中总结出 冒口尺寸
10、相对于热节圆直径的比例 关系 即 热节圆法 以热节圆直径dy作为冒口计算的基本参数 的方法 计算 绘图 原理 1 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 线收缩 率 量出热节圆直径T或用几何公式算出热节圆直径 36 T R c a 37 T 热节圆直径 38 2 按比例确定冒口尺寸 冒口补贴 冒口尺寸的确定 冒口直径B 宽 明冒口 B 1 8 2 0 T 热节圆直径 暗冒口 B 2 2 2 5 T 热节圆直径 冒口高度 H 1 15 1 18 B 冒口直径或宽 冒口长度 A 1 5 1 8 B 冒口宽 39 冒口补缩距离 Ln 4dy 4 5 T 铸件工艺出品
11、率校核 应用实例 已知ZG45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 浇口重87kg 40 41 四 提高冒口补缩效率的方法 一般通用冒口占铸件重30 50 耗费金属 材料 为此 提高冒口中金属液补缩压力 大气压力冒口 延长冒口中金属液保持时间 保温冒口 发 热冒口 42 1 大气压力冒口 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 气压力仍可作用至金属液面上 可以增加冒口 的补缩压力 43 44 2 保温冒口 使用保温材料 发热材料作冒口套 冒口套 耐火材料 石英砂 镁砂 铬铁矿 砂 保温材料 膨胀珍珠岩 陶瓷棉 发泡石
12、膏 发热剂 铝粉 氧化铁粉 2Al Fe2O3 Al2O3 2Fe 208 4184J 粘结剂 膨润土 水玻璃 酚醛树脂 45 46 47 保温冒口套实例 膨胀珍珠岩复合保温冒口套 珍珠岩8 10 铝矾土27 28 水泥23 25 陶瓷棉38 40 适量水 3 易割冒口 48 3 8 冷铁和铸筋 一 冷铁 为了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 外 冷铁 内冷铁安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 外冷铁安放在砂型 芯 壁上 不溶入铸 件内 49 50 冷铁作用 加快
13、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 并有可能减少偏析 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 有利于冒口补缩和 扩大冒口补缩范围 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 以期达 到提高铸件表面硬度和耐磨性 细化基体组织 的目的 51 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 对球铁 用冷铁进行激冷可以增大铸件表面 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 52 1 外冷铁 直接
14、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 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 直接外冷铁 金属激冷材料直接与铸件相接 触称为直接外冷铁 间接外冷铁 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10 15mm 与铸件相接触称为间接冷铁 53 54 要求 外冷铁与表面接触面光洁 去污锈 刷涂料 外冷铁呈45 角型砂与铁过渡冷却 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 冷作用时间短 一般为壁厚的0 5 0 7倍 55 冷铁尺寸及分布距离 56 2 内冷铁 内冷铁浇注后与铸件熔合在一起 其材料应
15、 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 内冷铁重 G2 铸件厚壁处重量 G1 铸件薄壁处重量 57 要求 内冷铁应喷砂 丸 处理 去锈污 或镀锡等 型内放好冷铁 3 4小时内浇注 防止吸潮产 生气孔 薄壁件不放置内冷铁 承受高温 高压等铸件 不应该放置内冷铁 内冷铁上方设出气孔 加工余量应小于冷铁尺寸 加工后不裸露 58 二 铸筋 铸筋是保证铸件质量的一种工艺措施 收缩筋 为防止铸件产生热裂的称为收缩筋 割 筋 清理去除 拉 筋 为防止铸件产生变形的称为拉筋 割筋 热处理后清理去除 1 收缩筋 铸件凝固收缩受型 芯 阻碍 在受拉应力壁上易产生热裂 加筋后 凝固早 强度建立早 可承受较大的拉应力 防热裂 当 1 2 不设收缩筋 承受拉应力壁为主壁 而与之相交形成热节 是主壁产生邻壁长度L 主邻壁之间关系 拉 应力的壁为邻壁 决定收缩应力大小 59 a b 60 2 拉筋 若断面呈U形 半圆时 凝固 冷 却后出现变形 而防止拉筋 在变形处 热 处理后去除 拉筋厚度小于铸件厚度 保证拉筋先于铸件 凝固 拉筋厚度为铸件厚度的倍 实际用反变形模样 反变形量C 61 62 63
