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1、浅谈熔模铸件浇注系统设计 高明利钢精密铸造有限公司 马孝林 浇注系统是熔模铸造工艺设计中非常重要的工作，它直接关系到铸件的质量和生产成本。虽然 一些教科书或手册介绍了铸件浇注系统的设计计算方法，但由于铸件结构千差万别，这些计算方法 只能作为对典型铸件的技术分析，实际应用的可操作性并不强。在实际： 作中工艺人员往往还是根 据实际工作经验和工艺试验来确定。本文对熔模铸件浇注系统的设计经验做一些归纳，希望起到抛 砖引玉的作用。 1 浇注系统的作用 与其他铸造方法相比，熔模精密铸件的浇注系统具有更多的功能和作用，概括起来主要有以下 几个方面： 1 ) 充型通道：保证金属液能够平稳顺利地充填型腔，获得符
2、合规定尺寸和几何形状的铸件。 2 ) 补缩通道：保证在内浇口凝固之前为铸件凝固收缩部位提供足够的液态金属补缩。 3 ) 脱蜡通道：使脱蜡时蜡液能够顺利地从模壳的型腔排出。 4 ) 调节铸件热分布：调节铸件各部位的温度差，建立合理的温度梯度，控制铸件凝固顺序。 5 ) 排气与集渣：使液态金属中的气体和夹杂物能够在铸件凝固前浮至浇注系统中。 6 ) 集成制壳浇注：将多个铸件联结在一起制壳和浇注，以利提高生产效率，降低生产成本。 浇注系统的基本功能包括排蜡、充型和补缩。熔模铸造工艺中很少单独设置冒口，补缩便成为熔 模铸造工艺设计中最重要并最具技术性的功能。 2浇注系统设计的主要内容 熔模铸造的浇注系
3、统主要包括浇口杯、直浇道：横浇道和内浇道三个部分，特殊铸件可能还需 要设置冒口。浇口杯与直浇道或横浇道常被设计成系列化的整体浇注系统( 俗称为“模头”) 供平常 选用，内浇道一般是随铸件开在模具上。因此工艺人员日常要面对的问题主要有两个：一是确定内 浇口的分布位置、数量、尺寸等；二是选择合理的模头和组树方案。由于内浇口的分布涉及到铸件 和模具结构，内浇口的设计是铸件工艺设计需要首先考虑的问题。 3 铸件浇注系统设计需要考虑的主要因素 浇注系统与铸件质量、生产效率和成本密切相关，需要从技术和经济两个层面综合考虑，目标 是以最高的效率和最低的成本生产出合格的铸件。需要考虑的主要因素有以下几点： 1
4、 ) 保证足够的充型和补缩能力。避免产生缩孔、缩松等铸造缺陷，生产合格铸件是浇注系统设 计的首要技术原则。浇口的位置、数量、大小应满足铸件补缩要求，有利于形成合理的凝固顺序、 补缩压力和补缩通道。浇注系统的设计一般应符合顺序凝固原则，浇口的位置应设置在可能产生缩 孔或缩松的热节区或厚大部位附近，使该处在凝固时能够获得液态金属的补充。对内部缩松要求不 严格的铸件的均匀薄壁铸件可采用同时凝固原则，避免形成集中缩孔。在允许的条件下，也可将缩 孔转移至非重要部位的心部，避免出现在铸件表面。 2 ) 保证合理的工艺出品率。工艺出品率对生产效率和成本的影响十分显著，这是浇注系统设计 需要考虑的重要经济原则
5、。工艺出品率越高效率越高、成本越低，在保证质量的前提下应尽量提高 工艺出品率。但过高的： 艺出品率会降低浇注系统的补缩能力，： 艺出品率和补缩能力必须兼顾， 通常熔模铸造的工艺出品率在4 0 嗡0 的范围内。 3 ) 有利于制壳操作和干燥。浇注系统设计应考虑制壳时操作方便，不易掉件，多余浆料能够顺 利排除，小孔或窄槽沾浆、挂砂和干燥不受影响。 4 ) 有利于脱蜡时顺利排出蜡液。内浇口面积过小或位置不当都会导致排蜡困难，蜡液不能顺利 一7 5 排出还可能导致模壳胀裂。蜡残留在模壳中不仅造成浪费，如果蜡不干净或灰分高还容易产生铸件 夹砂、碳污等缺陷。必要时需要考虑增加辅助排蜡通道。 5 ) 有利于
6、切割、打磨、整形等后j 】：序的操作。切割或打磨不方便，不仅降低生产效率，还可能 导致切伤或磨伤铸件。如果浇口设置在整形基准面，打磨稍有不平就会影响整形基准，必要时就需 要整形工装避开浇口位置。浇口根部要留出足够的打磨参考面，以避免打磨过量或浇口残留过多。 在满足工艺要求的前提下，浇口的截面积应尽可能小，以减少切割和打磨：一I 二作量。浇口截面形状应 尽量避免尖角，尖角浇口对砂带的损伤很人，而且容易划伤铸件。 6 ) 有利于保证铸件尺寸和表面质量，浇口一般都是用砂带打磨的方法去除的，除非增加精磨工 序，否则难以保证尺寸精度。应尽可能将浇口设置在待加工面或不重要的表面，尺寸或表面质量要 求严格的
7、位置以及加工装夹基准面不宜设置浇口。 7 ) 有利于消除或减轻铸件变形。浇口位置会影响铸件凝固顺序和收缩中心等，使铸件各部位 收缩不均衡，影响铸件变形。掌握这种影响规律， 浇注系统设置得当可以减轻铸件变形。有时浇注 系统还可以起到防变形拉筋作用。 浇口位置还会影响铸件的温度分布，改变铸 件的收缩中心和收缩阻力，从而引起尺寸收缩率 的变化。以右图为例，浇口位置分别在A 处和B 处时开裆尺寸的蜡模收缩率分别为0 7 4 和 O 8 0 ，浇注2 0 号钢时蜡模到铸件的收缩率分别 为1 0 1 和1 4 0 。由丁浇口位置改变导致开档尺 寸9 2 的变化达0 4 毫米。 8 ) 避免加大热节或局部过
8、热。由于浇口的出现有可能使铸件本身的热节加大，从而加重了补 缩负担，在选择浇口位置时应尽量避免这种情况。不要让浇口正对薄壁孔、薄筋或凹槽位置，以免 钢水直接冲击型芯造成局部过热产生缩孔。采用顺序凝固工艺时，浇口位置和大小应有利于建立合 理的温度梯度：对于按同时凝固原则浇注的铸件，其组树方案要避免散热不良导致局部过热出现集 中缩孔。 9 ) 内浇口根部应圆滑过渡。浇口根部的尖角容易导致金属液呈现紊流使充型不平稳，同时铸 件还容易在浇口尖角部位呈现缩陷痕迹。 1 0 ) 浇注系统设计需要与铸件设计相结合。有些铸件由于结构上的问题，单靠改变浇口不能完 全消除铸造缺陷，可以与客户协商改变铸件结构或增加
9、jl 。：艺补贴。 4 浇口截面积与铸件重量的关系 严格地讲浇口面积主要取决于热节的 大小。但一般来说，在凝固顺序合理的情况 下金属凝固所需的补缩量与铸件体积或重 量有关。如何判断浇口面积是否正常，笔者 通过对近百种不锈钢铸件的浇口截面积的 统计分析得出单位重量浇口面积A 与铸件 重量w 的关系如图所示 经验公式和相关系数为： 最大值 A m a x = 7 5 6 15 、 ，- 0 3 4 8 2 平均值 M a v e = 5 6 5 5 6 W 0 3 2 0 9 最小值 R 2 = 0 9 7 6 R 2 = 0 9 8 9 5L l 吕 曰 鼷 恒 删 堪 一7 6 一 单位重量浇
10、L 面积与重量的关系曲线 2345678 熏量( k g ) 啪咖啪啪伽枷咖啪啪伽啪o i； A m i n = 3 4 0 7 6 W 。o 2 2 3 2 R 2 = 0 9 6 0 4 按最大值、平均值和最小值给出的截面积与铸件重量的关系分别为 S m a x ：7 5 6 1 5 W 0 6 5 1 8 S a v e = 5 6 5 5 6 W o 6 7 9 1 S m i n = 3 4 0 7 6 W o 7 7 6 8 尽管不同铸件浇口面积与重量的比值会有所不同，但极限值和平均值与重量的关系具有很高的 相关性，当浇口面积超越了最大或最小值时需要检讨浇口是否存在过大或过小的问题
11、。 5 浇口大小与材质的关系 不同的结构和不同材料的铸件，对补缩能力的要求不同，浇口截面积也就不同。例如，不锈钢 铸件比碳钢铸件浇口要大一些。一般来说，合金元素含量越高，结晶温度间隔就越大，凝固体收缩 也越大，就需要更大的浇口截面积。材质的影响主要取决于含碳量和合金元素含量。含碳量越高， 凝固时的体收缩率越大。 合金元素对体收缩率的影响可用下式表示： 合金钢体收缩率= 相同含碳量的碳钢体收缩率+ ( 修正系数合金元素含量) 碳钢的体收缩率为： 含碳量( ) 0 1 00 40 71 0 体收缩率( ) 1 0 51 1 31 2 11 4 O 主要合金元素对体收缩率的修正系数见下表： 合金元素
12、W N iC r+ S iA l 修正系数 一0 5 30 0 3 5 4+ 0 1 2+ 1 0 3+ 1 7 0 不锈钢中由于C r 含量高，凝固体收缩率比相同碳量的碳钢高。3 0 4 不锈钢的内浇口截面积需要 比低碳钢铸件大2 0 左右。Z G C r 2 8 、】4 1 3 6 等不含镍的高铬铁素体不锈钢铸件由于凝固体收缩大加 之导热性差，很容易在浇口部位出现缩孔、缩松或裂纹等铸造缺陷。 6典型铸件的浇口设计 通常情况下，不锈钢铸件浇口的最小尺寸宜为热接圆直径的0 7 倍左右，补缩条件较好时可以 更小一些。这里列举几种典型结构的的铸件内浇口设计要求： 1 ) 板状结构铸件：浇口开在正面
13、时，浇口与铸件会形成丁字热：H 。除非厚度很薄，一般应将浇 口开在侧面，最好开成扁平梯形浇口。浇口厚度方向至少留出单边0 5 毫米的打磨基准。浇注4 2 0 、 4 3 0 等材质的小型铸件时，可利用材质的脆性将浇口设置成免割形式。当生产大平面铸件时，立浇 可能因压头太高产生胀壳现象，也可以考虑在平面上开设多个浇口以降低压头高度。 2 ) 块状铸件：块状铸件补缩条件比较好，浇口最小尺寸为铸件最小厚度的0 6 0 ，8 倍。形状最 好选取散热表面积最小的圆柱形浇口。 3 ) 环状铸件： 浇口可开在圆周或端面上，开在圆周方向时厚度为铸件壁厚的0 7 1 0 倍，沿圆 周方向的长度为壁厚的3 倍以上。开在端面时浇口长度范围为1 2 0 一1 8 0 。 4 ) 圆饼状铸件：浇口开在圆周上，厚度为铸件壁厚的0 8 1 0 倍，沿圆周方向的长度为壁厚的3 倍以上。 5 ) 圆筒状铸件：浇口开在端面或中部弧面。开在端面时可根据直径大小选择一个1 2 0 1 8 0 。浇 口或两个9 0 。浇口；开在中部园弧面上时，厚度应大于铸件壁厚，沿轴向长度不少于3 倍壁厚。铸 件长度大于2 0 0 毫米时可考虑沿轴向开两个浇口。 一7 7
