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1、材料成形工艺,宁波工程学院 周志斌 2012.02.21,1,2.2 浇注系统的设计,浇注系统的典型结构,浇注系统的分类,按浇注系统各单元断面积比例分类,按液态金属导入铸件型腔的位置分类,2,1.按浇注系统各单元断面积比例分类 （1）收缩式浇注系统 A直A横A内 特点:流速大，冲击，喷溅，剧烈氧化，保持充满状态，熔渣上浮避免进入型腔，所占体积小，减少合金的消耗。 应用：不易氧化的铸铁件 （2）扩张式浇注系统 A直A横A内 特点:流速慢，流动平稳，横浇道初期不易填满，浮渣差。 应用：大、中型铸件 （3）半扩张式浇注系统 A直 A横A内， A内 A直 特点：介于上述二者之间 应用：小型、结构简单的
2、铸件,3,2.按液态金属导入铸件型腔的位置分类 顶注式、底注式、中注式、阶梯式、缝隙式、复合式等 （1）顶注式浇注系统 特点：优点：1.能有效发挥冒口的补缩作用2.流量大、时间短、能力强。3.造型工艺简单，模具制造方便，消耗小，易清理缺点：冲击大，飞溅和氧化，氧化夹渣和气孔缺陷 应用：简单的中小铸件,4,常见的顶注式浇注系统,5,（2）底注式浇注系统（下注式） 特点：优点：1.合金液从下部充满型腔，流动平稳2. 横浇道处于充满状态，利于挡渣和气体排出。缺点：1. 削弱了冒口的补缩作用2.铸件底部内浇道附件易出现缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。3.充型能力差4.造型工艺复杂、消耗大。 应用：铝镁合金
3、铸件，复杂的黑色金属铸件。,6,常见的底注式浇注系统,7,（3）中注式浇注系统优缺点介于顶注式和底注式之间。普遍应用于壁厚均匀，高度不大的中小型铸件。采用机器造型生产铸件时，应用较多。,8,（4）阶梯式浇注系统 在铸件不同高度上开设多层内浇道的浇注系统。 优点：1.金属液自下而上充型；2.充型平稳；3.型腔内气体排出顺利；4.顺序凝固，冒口补缩；5.充型能力强，避免冷隔和浇不足；6.减轻内浇道附近局部过热现象。 缺点：1.造型复杂，有时要求几个分型面；2.正确计算和结构设计。 应用：高度大的大中型铸件。,9,常见的阶梯式浇注系统,10,2.3液态金属的凝固收缩过程,高温液态金属,冷却,常温固态
4、,收缩,固态合金冷却,液态收缩,凝固收缩,固态收缩,合金收缩,液态合金冷却,措施,冒口,冷铁,11,2.3.1铸件的收缩 定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。,12,收缩率： 体积收缩是指单位体积的收缩量（表示由液态到常温的收缩）。 线收缩是指单位长度上的收缩量（可以表示固态时的收缩）。,13,2.3.2铸件的凝固过程：在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。,2.3.3铸件的凝固方式： 逐层凝固 中间凝固 糊状凝固,14,1
5、5,16,2.3.4缩孔与缩松的形成 纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金,浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔. 大而集中的叫缩孔，细小分散的叫缩松。,17,缩松的形成原因铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。,18,2.3.5消除缩孔和缩松的方法,定向凝固原则,是铸件让远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。,原理,合理布置内浇道及确定浇铸
6、工艺。,方法,合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。,19,顺序凝固原则：使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。,20,解决缩孔的方法演示： 冒口和冷铁,21,2.4冒口设计,22,2.4.1冒口的作用 冒口是铸型内用以存储金属液的空腔 1.补偿铸件凝固时的收缩； 2.调整铸件凝固时的温度分布，控制凝固顺序； 3.排气集渣； 4.利用明冒口观察型腔内金属液的充型情况。 2.4.2 对冒口的要求 1.冒口的凝固时间要大于等于铸件的凝固时间； 2.冒口应有足够的体积； 3.扩张角始终向着冒口。,23,2.4.3冒口的种类和形状,24,a）球形 b)球顶圆柱形 c）圆柱形 d）腰圆柱形（明
7、） e）腰圆柱形（暗）,常用的冒口形状,25,2.4.4冒口的补缩原理 1）冒口与铸件间的补缩通道在铸件凝固过程中，要使冒口中的金属液能够不断地补偿铸件的体收缩，冒口与铸件被补缩部位之间应始终保持着畅通的补缩通道。否则，冒口再大也起不到补缩作用。 2）冒口的有效补缩距离冒口作用区长度和末端区长度之和称为冒口有效补缩距离。正确确定冒口的有效补缩距离是很重要的工艺间题。冒口的有效补缩距离与合金种类、铸件结构、几何形状以及铸件凝固方向上的温度梯度有关，也和凝固时析出气体的反压力及冒口的补缩压力有关。,26,27,3）工艺补贴的应用 在实际生产中往往有些铸件需补缩的高度超过冒口的有效补缩距离。由于铸件
8、结构或铸造工艺上不便，难以在中部设置暗冒口，此时单靠增加冒口直径和高度，补缩效果很不明显，况且增大冒口会使大量液流经过内浇道，使铸件在内浇道附近和冒口根部因过热而产生疏松。在这种情况下，一般采用在铸件壁板的一侧增加工艺补贴的方法，来增加冒口的有效补缩距离，提高冒口的补缩效率,28,29,4）. 冒口位置的确定冒口位置的选择对获得优质铸件有着重要的意义。冒口位置选择不当，不仅不能消除铸件的缩孔和疏松，反而会使铸件产生裂纹，加重冒口附近的疏松，还会给清理、切割等工序带来不便。,30,4.1）、冒口位置选择的原则： （1）冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁。 （2）冒口应尽量设在铸件最高、最后的部位
9、。 （3）冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防止组织粗大降低强度。 （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。,31,4.2）、冒口数量的确定关于冒口数量,一般是按照冒口有效补缩距离、冒口延续度和工艺出品率进行确定与校核的。合理施放冷铁,延长有效补缩距离,可以减少冒口个数。 5）. 冒口尺寸的确定合理地确定冒口尺寸，在铸造生产中是一个很重要的工艺问题。目前还缺少一种适合各种合金、各种结构
10、铸件、被大家所公认的确定冒口尺寸的办法，往往都采用在特定条件下根据生产经验总结出来的近似计算法。因此在应用这些方法时，要注意结合生产的具体情况，才能得到较好的结果。,32,6）.提高冒口补缩效率的方法 在铸造生产中，冒口的重量约为铸件重量的50%100%，在铝合金和镁合金砂型铸造中有的冒口重量甚至是铸件重量的二倍以上，铸件实收率很低，冒口的补缩效率不高、去除冒口的劳动量大。因此，采取措施努力提高冒口的补缩效率，对于节约能量、劳力和降低铸件生产成本具有重要意义。要提高冒口的补缩效率，最有效的途径是增加冒口的补缩压力和廷长冒口的凝固时间，在工艺上经常采用的措施有: 1）大气压力冒口 2）保温冒口
11、3）发热冒口 4）易割冒口,33,2.4.5冒口设计的常用方法 常用冒口设计方法有以下六种： 1）模数法广泛应用于铸钢件冒口设计中，也适用于铸铁件，非铁合金铸件的冒口设计。 2）周界商法基于模数理论的铸钢件冒口设计方法。 3）收缩模数法用于灰铸铁件和球墨铸铁件冒口设计。 4）热节圆法种经验性方法，以热节圆和补缩液量为依据，适用于各种类型的中小铸钢件冒口设计，也用于铸铁件冒口设计。 5）K值法它是模数法中比较实用的方法之一，用于铸钢件，铸铁件等铸件冒口设计。 6）比例法确定冒口尺寸最常用的方法，尤其是在铝、镁合金铸件的生产中得到广泛的应用。,34,35,36,2.5冷铁设计,冷铁的概念为增加铸件
12、局部冷却速度，在型腔内部及工件表面安放的激冷物。冷铁可分为外冷铁和内冷铁。在铸造生产中常将冷铁、浇注系统和冒口配合使用，控制铸件的凝固过程。,37,冷铁,浇口,38,2.5.1冷铁的作用 1）与浇注系统和冒口配合控制铸件的凝固次序。 形成顺序凝固的凝固次序； 改变铸件的凝固次序，形成顺序凝固； 增大凝固过程的稳定梯度，使凝固次序更加明显； 加速铸件局部厚大部位的凝固速度，与周围部分同时凝固。 2）加速铸件的凝固速度，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能。另外：冷铁还可以用来划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口的补缩范围，提高冒口的补缩效率。,39,2.5.2冷铁材料的选择 生产中常用的冷铁材料有铸铁
13、、铝合金、石墨和铜合金等 。 可以制作冷铁的材料很多，凡是比砂型材料的热导率、蓄热系数大的金属和非金属材料均可选用 。,常用冷铁材料的热力学性能,40,2.5.3外冷铁 外冷铁的分类,外冷铁,直接冷铁（明冷铁）,间接冷铁（暗冷铁）,有气隙,无气隙,41,42,外冷铁厚度的确定,根据经验，外冷铁的厚度见下表2,注：T 铸件热节圆直径。 对轻合金件，当T大于2.5倍铸件壁厚时，需配合冒口使用。,43,外冷铁工作表面积的确定 设在铸件底面和内侧面的外冷铁，在重力和铸件收缩力作用下同铸件表面紧密接触，称为无气隙外冷铁; 设在铸件顶部和外侧的冷铁属于气隙外冷铁。,44,外冷铁的重量 为防止外冷铁被铸件熔
14、接，应计算或校核外冷铁的重量。 原理：铸件（热节部分）的质量为Wo，用外冷铁激冷后，铸件模数Mo减少为等效模数M1，对应M1的铸件质量为W1，则质量差（Wo-W1）所含的过热热量和结晶潜热应为外冷铁吸收并使之升温。设CL,Cs为金属液，固体的比热容，铸件凝固结束时允许外冷铁最高温度为600.依据热平衡原理，导出Wc,45,2.5.4内冷铁 内冷铁的激冷作用比外冷铁强，通常是在外冷铁激冷作用不足时才使用内冷铁，主要用于壁厚而技术要求不太高的铸件上，特别是铸钢件。,常用内冷铁的形式：a钉子；b螺旋形；c短圆柱形,46,2.5.5冷铁放置的位置 1.冷铁的作用分析 铸件自下而上的凝固顺序，通常把冷铁放在铸型的下部。 2.铸件结构的分析 不宜安放冒口的厚大部位，一般均放冷铁。 散热条件差的部位放冷铁。 3.与冒口配合使用 冷铁与冒口保持一定距离，从冷铁部位向冒口方向顺序凝固。 4.浇注系统及引入位置的影响 采用底注式浇注系统，一般均在铸件底部放置冷铁。,47,
