冒口设计参考

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1、冒口设计第一节 冒口的种类及补缩原理冒口(riser，feeder head)是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。习惯上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。1. 冒口的种类 1. 通用冒口(传统) 1. 普通冒口 1. 依位置分类 1. 顶冒口2. 顶冒口2. 依顶部覆盖分类 1. 顶冒口2. 顶冒口2. 特种冒口 1. 依加压方式分 1. 大气压力冒口2. 压缩空气冒口3. 发气压力冒口2. 依加热方式分 1. 保温冒口2. 发热冒口3. 加氧冒口4. 电孤加热冒口、煤气加热冒口3. 易割冒口2. 铸铁件的实用冒口(均衡凝固) 1. 直接实用

2、冒口(浇注系统当冒口)2. 控制压力冒口3. 冒口无补缩2. 冒口形状 冒口的形状有圆柱形、球顶圆柱形、长(腰)圆柱形、球形及扁球形等多种3. 通用冒口补缩原理 1. 基本条件 1. 冒口凝固时间大于或等于铸件(被补缩部分)的凝固时间2. 有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩，补偿浇注后型腔扩大的体积3. 在凝固期间，冒口和被补缩部位之间存在补缩通道，扩张角向着冒口2. 选择冒口位置的原则 1. 冒口应就近设在铸件热节(hotspot)的上方或侧旁2. 冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位。对低处的热节增设补贴或使用冷铁，造成补缩的有利条件3. 冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防组

3、织粗大降低强度4. 冒口位置不要选在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹5. 尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件6. 冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好7. 不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开3. 冒口有效补缩距离的确定冒口的有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质量要求的高低等多种因素有关，简称为冒口补缩距离 1. 铸钢件冒口的补缩距离有色合金的冒口补缩距离外冷铁的影响补贴(padding)的应用第二节 铸钢件冒口的设计与计算 铸钢件冒口属于通用冒口，其计算原理适

4、用于实行顺序凝固的一切合金铸件。通用冒口的计算方法很多，现仅介绍几种常用的冒口计算方法。 1. 模数法 A. 基本原理遵守顺序凝固的基本条件。 a. 冒口的凝固时间 r 应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间 c。b. 冒口必须能提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积，使c. 缩孔不致伸入铸件内。A. 铸件形状系数的影响以 Chvorinov 公式为基础的模数法忽略了铸件形状对凝固时间的影响，而实际上，在其他条件（模数、合金、铸型等）相同时，球体件凝固时间最短，圆柱体次之，平板件最长。这一结论已被铸件凝固传热计算证明。铸件凸形表面的凝固层增长速度高于平面和凹

5、形表面。说明铸件形状对其凝固和补缩有影响。 铸件形状系数（shape coefficent）q 又名周界商，定义为铸件体积 Vc与其模数 Mc3 之比值，即 qVc/ Mc3 (3-5-7) q 值使铸件形状数量化，q 值的大小表明了铸件形状的特征形状越接近于简单的实心球体，q 值越小；反之，铸件形状越接近展开的大平板，q 值越大。 实心球体件 q 值最小，这时 qmin=113。而大平板件 q 值非常之大。生产中铸件的 q 值多在 1135000 范围内。在其他条件相同时，q 值大则冒口补缩效率高。表 3-5-7 为保温冒口补缩效率 和铸件形状系数 q 的关系。在设计和校核冒口时，q 值大的

6、铸件应选取冒口补缩效率的上限值。C. 设计步骤 1. 把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数 Mc 2. 计算冒口及颈的模数。 3. 确定冒口形状和尺寸（应尽量采用标准系列的冒口尺 寸）。 4. 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。 5. 校核冒口补缩能力。D. 铸件模数的计算 铸件结构有的简单，有的复杂。复杂铸件总是由简单几何体与其相交节点所构成。所以，只要掌握简单几何体和其相交节点的模数计算方法，对任何复杂铸件均可应用模数法计算出冒口尺寸。 各种热节点的模数计算方法： 1）测定热节中心和平板中心的凝固时间 设铸件平板壁厚为 T，凝固时间为 ，热节中心处凝固时间为

7、j。拟订工艺之前，要进行浇注试验测定其凝固时间，故应用较少。 2）热节圆当量板（或杆）法 把热节部位视为以热节圆直径为厚度的板或杆件，见表 3-5-8。 3）用一倍厚度法求热节模数 如图 3-5-16 所示，温度测定试验表明，离热节处一倍壁厚以外的温度，基本与壁体的温度相同。因此，以图示的阴影区作为计算热节模数的依据。此外还有其他方法。对于齿轮轮缘和辐板间形成的 T 形热节所进行的分析计算表明：一般情况下，一倍厚度法所得模数值稍大，热节圆当量杆法所得模数次之，用扣除散热面积法所得模数略小。总的来说，用上述不同方法计算出的模数值相近，皆能满足工艺设计的精度要求。 举例： 压实缸体铸钢件，简图如图

8、 3-5-17 所示。分区计算模数如下： 缸底：直径 400mm，侧面为非冷却面，可视为 140mm 的板件，M=d/2=7cm； 帽状部分视为板件，厚 100mm，M=5cm； 缸体主壁部分：视为厚 120mm 的板件，M=6cm； 上部平板部分：厚 80mm，板件，M=4cm； 120mm 孔的四周部分：视为板件，厚 80mm，M=4cm； 热节：缸体主壁与斜壁相交处，热节圆 180mm，视为厚 180mm 的当量板，M=d/2=9cm。三次方程法三次方程法是模数法的延伸 ， 主要用于计算机辅助设计中。 原理 ： 补缩时冒口中的金属液不断进入铸件，冒口体积 Vr 和模数 Mr 逐渐减小。相

9、对地，铸件体积 Vc 和模数 Mc 不断增大，理想的冒口设计应使补缩终了时的冒口模数 和铸件模数 相等，即保证冒口和铸件凝固时间相同。这样的冒口才是最节约的。据此有 （VrVc）/Ar=（VrVc）/Ac 合金的体收缩率； Ar、Ac冒口、铸件补缩终了时的散热表面积。 对普通冒口；近似地认为冒口散热表面积在补缩过程中无变化。 对不同形式的冒口，都可把冒口体积和表面积化为冒口几何尺寸的函数。例如，对圆柱形明冒口有： Vr=Bdr2/4，Ar=dr2/ （B+1/4）。 B是冒口高度 hr 与直径 dr 之比（B=hr/dr）。 把上述关系代入（3-5-9）中得 dr3K1Mc dr2K2Vc=0

10、 （3-5-10） K1、K2常数，与冒口形式和合金体收缩 有关。 对圆柱形冒口 K1=4（B+1/4）（1+）/B，K2=4/B。 公式（3-5-10）就是计算冒口直径 dr 的三次方程。 3. 补缩液量法基本原理是建立在两点假定基础上： 假定铸件凝固层增长速度与冒口的相等；假定冒口内用的金属液体积（缩孔体积）为直径 d0 的球。 这样，当冒口高度和直径相等时，铸件中最大凝固层厚度为壁厚的一半，依假定，冒口中凝固层厚度也为铸件厚度之半，因而，冒口中缩孔球直径 d0 等于冒口直径与铸件厚度之差，见图 3-5-18。d0=Dr-T Dr=T+d0 （3-5-11） 式中 Dr冒口直径； T铸件壁

11、厚。 该方法还认为：直径为 d0 的球体积应等于铸件（被补缩部分）的总体收缩容积。应当说明，理论上，冒口中补缩球的体积应包括冒口本身的体收缩容积，而式（3-5-12）中未计入此值，可见这种计算方法，从假定到推算都是很粗略、有一定误差的。但实际应用中冒口高度都大于其直径，故安全系数足够大，补偿了计算的误差。根据一些工厂实践，使用效果良好，简单易算。 3. 比例法比例法是在分析、统计大量工艺资料的基础上，总结出的冒口尺寸经验确定法。我国各地工厂根据长期实践经验，总结归纳出冒口各种尺寸相对于热节圆直径的比例关系，汇编成各种冒口尺寸计算的图表。详见有关手册。比例法简单易行，广为采用。 现以常见的轮形铸

12、钢件（如齿轮、车轮、皮带轮、摩擦轮和飞轮等）为例，介绍用比例法确定冒口尺寸的方法、步骤（见图 3-5-19） 。1.热节圆直径 dy 的确定 根据零件图尺寸，加上加工余量和铸造收缩率作图（最好按 1：1），量出或算出热节圆直径 dy（应考虑砂尖角效应）。 2.按比例确定轮缘冒口尺寸 （1）冒口补贴 按下列经验比例关系确定 d1=（1.31.5）dy R1=R 件+dy+（13）mm R2=（0.51）dy =515mm （2）冒口尺寸 用下述比例关系计算： 暗冒口宽 B=（2.22.5）dy 明冒口宽 B=（1.82.0）dy 冒口长 A=（1.51.8）B （3）冒口补缩距离 L=4dy，当

13、两冒口之间距离超过此值时，应放冷铁或设水平补贴。 3.轮毂冒口尺寸 （1）轮毂补贴 依下列比例关系确定，轮毂补贴比轮缘补贴略小。 d1=（1.11.3）dy r 的值待 d1 值确定后，按图作出。 （2）冒口尺寸 当轮毂较小时用一个冒口。 冒口直径 D=2（1520）mm，2 是轮毂外径。 冒口高度 H=（22.5）d1+r 当轮毂直径较大，需要设两个或更多的冒口才比较节约时，冒口尺寸应按轮缘冒口的确定方法计算。 由于各地区、各工厂的生产条件不同，所给出的经验比例也不完全一致。参照应用时要注意生产条件、铸件类型、合金成分等条件尽量一致。 3. 铸件工艺出品率的校核经过长期的生产统计，各种铸钢件

14、的工艺出品率如表 3-5-10 所示，可供校核之用。 计算出的铸件工艺出品率若大于表 3-5-10 中的数值，说明所设计的冒口可能偏小；反之，可能偏大。应用普通冒口时，应视不同情况加以调整。采用比较简便的冒口计算方法时，容易出现偏差。显然，采用补缩效率高的冒口类型会导致高的工艺出品率。表 3-5-9 中的数据并非不许超越的。可以预料，随着技术进步和生产管理水平的提高，铸件的工艺出品率会逐渐提高的。上述四种冒口计算法中，比例法使用最简便，但比例系数范围较宽，需要丰富的实践经验才能准确地选择比例系数。相对地，模数法比较科学。除此之外，有关文献还介绍了其他计算法，均可供设计中参考。第三节 铸铁件实用

15、冒口的设计 一、铸铁的体收缩 灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁在凝固过程中，由于析出石墨而体积膨胀，且膨胀的大小、出现的早晚，均受冶金质量和冷却速度的影响，因而有别于其他合金。以球铁为代表，其凝固过程可分为：一次收缩（primary contraction）、体积膨胀（volume expansion）和二次收缩（secondry contraction）等三阶段（见图 3-5-20）。特点为： 1）在凝固完毕前要经历一次（液态）收缩、体积 膨胀和二次收缩过程。 2）一次收缩、体积膨胀和二次收缩的大小并非确 定值，而是在很大范围内变化。液态体收缩系 数为（0.0160.0245）10-2/，体积膨胀

16、 量为3%6%。 球铁凝固期出现的体积膨胀，许多文献中称为石墨化膨胀或缩前膨胀，但也有人认为不单纯是因奥氏体石墨共晶转变引起的。其一，体积膨胀温度开始的温度可高于共晶温度；其二，对石墨化膨胀所作的计算表明，每析出 1%质量的石墨，铸铁体积增大 0.89%0.95%。而实验数据表明，每析出 1%质量的石墨，铸铁体积增大约 2%。因而认为体积膨胀还与气体析出有关 影响铸铁的一次收缩、体积膨胀和二次收缩的大小、进程的主要因素是冶金质量、冷却速度和化学成分。 1.冶金质量的影响 冶金质量好的铸铁，在同样化学成分、冷却速度下，液态收缩、体积膨胀和二次收缩值都小，因而形成缩孔、缩松和铸件胀大变形的倾向小，容易获得健全的铸件。设计冒口时要密切注意现场铁液的冶金质量，它可以用试样的石墨球数来评定：从 25.4m