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1、第三章 浇冒口系统设计冒口系统设计冒口系统设计材料科学工程系材料科学工程系吴士平吴士平一、冒口的作用一、冒口的作用 为了使铸件在凝固的最后阶段得到补缩，防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，则在铸件上止缩孔、缩松、裂纹、变形等产生，则在铸件上设置冒口。设置冒口。 冒口冒口储备足量的液态金属，又可排气、集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、缩松均会形成孔洞缩孔、缩松。 合适的冒口工艺可以有效地防止或减少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
2、的凝固铸件的收缩缺陷。收缩缺陷与合金的凝固特性有关，也与冒口自身设计有关特性有关，也与冒口自身设计有关对于逐层凝固对于逐层凝固产生集中缩孔的合金，设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。可以有效地防止缩孔和缩松。对于糊状凝固对于糊状凝固的合金，冒口的作用很小，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。缩孔缺陷和减少缩松缺陷。二、冒口的类型及设计原理二、冒口的类型及设计原理冒口种类冒口种类 ）按冒口在铸件上的位置分）按冒口在铸件上的位置分
3、 顶冒口：位于铸件的最高处顶冒口：位于铸件的最高处 侧侧冒冒口口：设设置置在在铸铸件件的的热热节节点点处处 补贴冒口：方向凝固补贴冒口：方向凝固 局部冒口局部冒口 2）按冒口结构分）按冒口结构分 矩形冒口矩形冒口 圆柱形冒口圆柱形冒口 球型冒口球型冒口3）按冒口内腔与大气之间关系）按冒口内腔与大气之间关系 明冒口明冒口 暗冒口大气压力冒口暗冒口大气压力冒口 发气压力冒口发气压力冒口三、冒口的设计原则（一）设置冒口的必要性（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
4、，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。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（三）确定冒口的种类和类型（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。图口的效果和造型及去除冒口时是否方便。图313是常采用的几种冒口形式是常采用的几种冒口形式（四）决定冒口的尺寸（四）决定冒口的尺寸（1）一般来说，冒口系
5、统（冒口和冒口颈）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。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）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。而且要力求铸由于型腔扩大而增加的体积。而且要力求铸件的成品率高。件的成品率高。（3）冒口和铸件受补缩部位之间，要保持）冒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，以保证补缩通一定的温度梯度和凝固梯度，以保证补缩通道畅通。道畅通。（五）校验方向性（顺序）凝固和多冒口的（五）校验方向性（顺序）凝固和多冒口的综合效果
6、综合效果由于冒口的有无及其位置、大小等将直接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相互间的干扰。因此需要校验是否不产生缺陷。陷。冒口的设计及计算 以铸钢件冒口设计为主，凡实行顺序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。凝固的一切合金铸件均适用。 冒口的设计：冒口的设计： 凝固时间原则：模数法凝固时间原则：模数法 几何关系原则：缩管法几何关系原则：缩管法 热节圆法热节圆法 （一）（一）模数法模
7、数法 模数：体积和散热表面积的比值称模数模数：体积和散热表面积的比值称模数 M=V/AM=V/A 其中：其中：M M模数（模数（m m）；）； V V铸件体积（铸件体积（m m3 3） A A散热表面积（散热表面积（m m2 2） 模模数数法法：根根据据铸铸件件凝凝固固理理论论，铸铸件件凝凝固固时时间间决决定定于于它它的的体体积积和和表表面面积积的的比比值值，即即铸铸件件的的模模数数。M M小小的的铸铸件件凝凝固固时时间间短短；M M大大的的铸铸件件凝凝固固时时间间长长，模模数数方方法计算冒口尺寸就是建立在模数的基础之上。法计算冒口尺寸就是建立在模数的基础之上。模数法基本原理：模数法基本原理：
8、、按顺序凝固的基本条件，冒口凝固时间、按顺序凝固的基本条件，冒口凝固时间r r应应 大于铸件被补缩部位的凝固时间大于铸件被补缩部位的凝固时间c c。已知：已知：式中：式中：Mr,Mc为冒口、铸件的模数；为冒口、铸件的模数； Kr,Kc为冒口、铸件的凝固系数为冒口、铸件的凝固系数；Kr=Kc（一般情况下）（一般情况下）得：得： 一般取一般取f f1.2 1.2 则则 Mr=fMr=fMc Mc f f为冒口系数（为冒口系数（ff） 对对碳碳钢钢、低低合合金金钢钢铸铸件件，冒冒口口、冒冒口口颈颈和和铸铸件件模数关系：模数关系： 侧冒口侧冒口 Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2Mc:Mn:Mr=1
9、:1.1:1.2 顶冒口顶冒口 Mr=(1.2-1.0)McMr=(1.2-1.0)Mc 内浇道通过冒口内浇道通过冒口 Mc:Mn:Mr=1: (1-1.03) :1.2Mc:Mn:Mr=1: (1-1.03) :1.2、冒冒口口必必须须能能提提供供足足够够的的金金属属液液以以补补偿偿铸铸件件在在凝凝固固结束前体收缩（包括型壁移动扩大的容积）故应满足：结束前体收缩（包括型壁移动扩大的容积）故应满足： 式中：式中： VcVc、VrVr、VeVe铸件、冒口、型壁移动扩大的体积；铸件、冒口、型壁移动扩大的体积； 金属液的收缩率金属液的收缩率 冒口补缩效率冒口补缩效率 结结果果：铸铸件件模模数数（查查
10、表表）按按MrMr1.2Mc1.2Mc计计算算得得出出冒冒口口的的模模数数再再查查表表（）分分别别求求出出圆圆柱柱形形、腰腰圆圆形形（明明冒冒口口）或或圆圆柱柱形形按按冒口的尺寸冒口的尺寸 设计步骤：设计步骤： 将铸件划分几个补缩区，计算各区的铸件将铸件划分几个补缩区，计算各区的铸件 模数模数 计算冒口、冒口颈的模数计算冒口、冒口颈的模数 确定冒口的形状和尺寸确定冒口的形状和尺寸 检查顺序凝固条件、补缩距离检查顺序凝固条件、补缩距离 核验冒口补缩能力（按表）核验冒口补缩能力（按表）VrVr冒口体积；冒口体积； vv铸钢件的收缩率铸钢件的收缩率 M=(1-1.25)MM=(1-1.143)MM=
11、(1-1.151)M计算实例：ZGZG齿齿轮轮如如图图所所示示，其其收收缩缩率率约约为为）轮缘冒口计算）轮缘冒口计算 把把轮轮缘缘看看作作长长方方形形断断面面的的杆杆，当当在在冒冒口口之之间间不不采采用用冷冷铁铁时时，大大致致需需要要设设置置三三个个冒冒口口。在在冒冒口口之间设置冷铁，可以只设二个冒口。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首先计算轮缘铸件部分的模数 Mc=VcMc=VcAcAc1.961.96 为为了了保保证证冒冒口口比比铸铸件件晚晚凝凝固固，一一般般取取MrMr1.2Mc1.2Mc Mr=1.2Mc Mr=1.2Mc2.352.35 查查标标准准腰腰圆
12、圆形形冒冒口口表表：当当收收缩缩率率、MrMr2.42cm2.42cm、每每个个冒冒口口能能补补缩缩最最大大铸铸件件体体积积4.8L4.8L（重重量量37kg37kg）时时冒冒口口的的尺尺寸寸为为 a=100mm,a=100mm,b=200mm,b=200mm,h=150mm(h=1.5a)h=150mm(h=1.5a)。2）轮毂冒口计算）轮毂冒口计算 把轮毂同样看成长方形杆，则把轮毂同样看成长方形杆，则 McMc1.92cm1.92cm Mr=1.2Mc=2.3cm Mr=1.2Mc=2.3cm 查查标标准准圆圆柱柱形形暗暗冒冒口口表表：当当Mr=2.38cm, Mr=2.38cm, 收收缩
13、缩率率为为5 5、每每个个暗暗冒冒口口能能补补缩缩的的最最大大铸铸件件体体积积为为4.1L4.1L（ 重重 量量 32kg32kg） 时时 ， 冒冒 口口 的的 尺尺 寸寸 为为 120mm120mm188mm(h) 188mm(h) (h=1.5d)(h=1.5d)。可可见见设设计计一一个个冒冒口已经足够。口已经足够。 如如果果考考虑虑砂砂芯芯的的影影响响，按按照照表表取取k k1.51.5，则则散散热热面面积积减减小小、相相当当于于铸铸件件厚厚度度增增加加。于于是是，重重新新计计算算铸铸件件的的体体积积和和散散热热面面积积（加大杆的厚度）（加大杆的厚度） Mc=2.36cmMc=2.36c
14、m Mr=1.2Mc=2.83cm Mr=1.2Mc=2.83cm 查同一表得：冒口的尺寸查同一表得：冒口的尺寸150mm150mm225mm(h)225mm(h)。这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。（二）补缩液量法假设：假设： 铸件凝固层增长速度与冒口相等；铸件凝固层增长速度与冒口相等； 冒冒口口内内供供补补缩缩用用金金属属液液体体积积（缩缩孔孔体体积积）为为直径直径d d0 0的球的球 所所以以，当当冒冒口口高高度度与与直直径径相相等等时时，铸铸件件中中最最大大凝凝固固层层厚厚度度为为壁壁厚厚的的一一半半。则则冒冒口口中中凝凝固固层层厚厚度度也也为为铸
15、铸件件厚厚度度的的一一半半，因因而而冒冒口口中中缩缩孔孔球直径球直径d0d0等于冒口直径与铸件壁厚之差。等于冒口直径与铸件壁厚之差。Hd0DrT即即 d0=Dr-Td0=Dr-T则则 Dr=T+d0Dr=T+d0 T - T - 铸件壁厚铸件壁厚 d0 - d0 - 冒口直径冒口直径 而而且且直直径径d0d0的的球球体体积积应应等等铸铸件件（被被补补缩缩部部分分）的总体收缩容积。的总体收缩容积。即：即： d03=VcVcVc 铸件体积铸件体积 金属凝固体收缩率金属凝固体收缩率值值查查表表，然然后后计计算算出出VcVc，再再通通过过d d0 0计计算算公公式式求求出出补补缩缩球球直直径径d d0
16、 0，最最后后用用DrDr公公式式求求出出冒冒口口直直径径DrDr。 实实际际应应用用中中，冒冒口口高高度度大大于于冒冒口口直直径径，取取Hr=(1.15 - 1.8)DrHr=(1.15 - 1.8)Dr( (三三) ) 热节圆法热节圆法 实实践践中中总总结结出出，冒冒口口尺尺寸寸相相对对于于热热节节圆圆直直径径的的比比例关系，即例关系，即 热热节节圆圆法法：以以热热节节圆圆直直径径dydy作作为为冒冒口口计计算算的的基基本本参参数的方法数的方法 计算（绘图）原理：计算（绘图）原理： 1 1）确定热节圆直径，一般用做图法求出。）确定热节圆直径，一般用做图法求出。 热热节节圆圆直直径径零零件件
17、尺尺寸寸加加工工余余量量总总尺尺寸寸线线收收缩率缩率 量出热节圆直径量出热节圆直径T T或用几何公式算出热节圆直径或用几何公式算出热节圆直径TRcaT热节圆直径热节圆直径2 2）按比例确定冒口尺寸）按比例确定冒口尺寸 冒口补贴冒口补贴 冒口尺寸的确定冒口尺寸的确定冒口直径冒口直径B(B(宽宽) )： 明冒口明冒口 B=(1.8 - 2.0)T B=(1.8 - 2.0)T （热节圆直径）（热节圆直径）暗冒口暗冒口 B=(2.2 - 2.5)T B=(2.2 - 2.5)T （热节圆直径）（热节圆直径）冒口高度冒口高度: H=(1.15 - 1.18)B : H=(1.15 - 1.18)B 冒
18、口直径或宽冒口直径或宽冒口长度：冒口长度： A=(1.5 - 1.8)B A=(1.5 - 1.8)B 冒口宽冒口宽 冒口补缩距离冒口补缩距离: Ln=4dy=(4 - 5)T : Ln=4dy=(4 - 5)T 铸件工艺出品率校核铸件工艺出品率校核: :应用实例：应用实例： 已已知知ZG45ZG45铸铸钢钢轮轮尺尺寸寸如如图图所所示示，试试用用热热节节圆圆法法计计算算明明冒冒口口尺尺寸寸，并并计计算算该该产产品品件件工工艺艺出出品品率率（浇口重（浇口重87kg87kg）（四）（四） 提高冒口补缩效率的方法提高冒口补缩效率的方法 一一般般通通用用冒冒口口占占铸铸件件重重30 30 5050 耗
19、耗费费金金属材料属材料, ,为此：为此： 提提高高冒冒口口中中金金属属液液补补缩缩压压力力 大大气气压压力力冒冒口口 延长冒口中金属液保持时间延长冒口中金属液保持时间 保温冒口、保温冒口、发热冒口发热冒口1)大气压力冒口大气压力冒口 在暗冒口顶部安装细砂芯，伸入冒口中心，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，可以增加冒口气压力仍可作用至金属液面上，可以增加冒口的补缩压力。的补缩压力。2)保温冒口保温冒口使用保温材料、发热材料作冒口套。使用保温材料、发热材料作冒口套。 冒冒口口套套： 耐耐
20、火火材材料料 石石英英砂砂、镁镁砂砂、铬铬铁铁矿砂矿砂保温材料保温材料 膨胀珍珠岩、陶瓷棉、发泡石膏膨胀珍珠岩、陶瓷棉、发泡石膏发热剂发热剂 铝粉、氧化铁粉铝粉、氧化铁粉2Al+Fe2Al+Fe2 2O O3 3=Al=Al2 2O O3 3+2Fe+208+2Fe+2084184J4184J粘结剂粘结剂 膨润土、水玻璃、酚醛树脂膨润土、水玻璃、酚醛树脂 保温冒口套实例保温冒口套实例: :膨胀珍珠岩复合保温冒口套膨胀珍珠岩复合保温冒口套 珍珍珠珠岩岩8-10%8-10%，铝铝矾矾土土27-28%27-28%，水水泥泥23-25%23-25%，陶瓷棉，陶瓷棉38-40%38-40%，适量水，适量
21、水 (3)(3)易割冒口易割冒口38冷铁和铸筋冷铁和铸筋（一）冷铁为了增加铸件局部冷却速度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。冷铁分为内冷铁内冷铁、外外冷铁冷铁。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；外冷铁安放外冷铁安放在砂型（芯）壁上，不溶入铸件内。 冷铁作用：冷铁作用： 加加快快铸铸件件热热节节部部分分的的冷冷却却速速度度，使使铸铸件件趋趋于于同同时时凝凝固固，有有利利于于防防止止铸铸件件变变形形或或出出现现裂裂纹纹。并有可能减少偏析。并有可能减少偏析。 与与冒冒口口配配合合使使用
22、用，使使铸铸件件局局部部冷冷却却加加速速，强强化化了了铸铸件件顺顺序序凝凝固固的的条条件件，有有利利于于冒冒口口补补缩缩和和扩扩大大冒冒口口补补缩缩范范围围。这这样样不不仅仅有有利利于于防防止止铸铸件件产产生生缩缩孔孔、缩缩松松缺缺陷陷，还还有有可可能能减减少少冒冒口口的的数目或体积及补贴的斜度，提高工艺出品率。数目或体积及补贴的斜度，提高工艺出品率。 加加快快铸铸件件某某些些特特殊殊部部位位的的冷冷却却速速度度，以以期期达达到到提提高高铸铸件件表表面面硬硬度度和和耐耐磨磨性性、细细化化基基体体组组织的目的。织的目的。 在在难难于于设设置置冒冒口口或或冒冒口口不不易易补补缩缩到到的的部部位位放
23、置冷铁以减少或防止出现缩孔、缩松。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。的利用程度和提高冒口补缩效果。1、外冷铁、外冷铁直接外冷铁、间接外冷铁直接外冷铁、间接外冷铁外外冷冷铁铁是是自自铸铸件件外外壁壁施施加加激激冷冷作作用用，它它不不与与铸铸件件表表面面溶溶接接，可可以以回回收收重重用用。所所以以外外冷冷铁铁的的材材料以选择导热性好、有足够高的熔点的为好。料以选择导热性好、有足够高的熔点的为好。直直接接外外冷冷铁铁
24、 金金属属激激冷冷材材料料直直接接与与铸铸件件相相接接触称为直接外冷铁触称为直接外冷铁间接外冷铁间接外冷铁 金属激冷材料通过一薄层非金金属激冷材料通过一薄层非金属材料（如砂子、涂料等厚度在属材料（如砂子、涂料等厚度在101015mm15mm）与）与铸件相接触称为间接冷铁铸件相接触称为间接冷铁要求：要求： 外冷铁与表面接触面光洁、去污锈、刷涂料外冷铁与表面接触面光洁、去污锈、刷涂料 外冷铁呈外冷铁呈4545角型砂与铁过渡冷却角型砂与铁过渡冷却 与壁相连接处不易有尖角，随形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
25、为壁厚的冷作用时间短，一般为壁厚的0.5-0.70.5-0.7倍倍冷铁尺寸及分布距离冷铁尺寸及分布距离2、内冷铁、内冷铁 内冷铁浇注后与铸件熔合在一起，其材料应与铸件材料相同，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 铸件薄壁处重量要求：要求： 内冷铁应喷砂（丸）处理，去锈污，或镀锡等内冷铁应喷砂（丸）处理，去锈污，或镀锡等 型内放好冷铁，型内放好冷铁，3 34 4小时内浇注，防止吸潮产小时内浇注，防止吸潮产 生气孔生气孔 薄壁件不放
26、置内冷铁，承受高温、高压等铸件薄壁件不放置内冷铁，承受高温、高压等铸件 不应该放置内冷铁不应该放置内冷铁 内冷铁上方设出气孔内冷铁上方设出气孔 加工余量应小于冷铁尺寸，加工后不裸露加工余量应小于冷铁尺寸，加工后不裸露。（二）铸筋（二）铸筋铸筋是保证铸件质量的一种工艺措施。铸筋是保证铸件质量的一种工艺措施。收收缩缩筋筋 - - 为为防防止止铸铸件件产产生生热热裂裂的的称称为为收收缩缩筋筋（割割筋）筋） 清理去除清理去除拉拉 筋筋 - - 为为防防止止铸铸件件产产生生变变形形的的称称为为拉拉筋筋（割割筋筋） 热处理后清理去除热处理后清理去除 1 1）收收缩缩筋筋：铸铸件件凝凝固固收收缩缩受受型型（
27、芯芯）阻阻碍碍，在在受受拉拉应应力力壁壁上上易易产产生生热热裂裂。加加筋筋后后，凝凝固固早早、强度建立早，可承受较大的拉应力，防热裂。强度建立早，可承受较大的拉应力，防热裂。当当 1-21-2，不设收缩筋，不设收缩筋 承承受受拉拉应应力力壁壁为为主主壁壁，而而与与之之相相交交形形成成热热节节、是是主主壁壁产产生生邻邻壁壁长长度度L L，主主邻邻壁壁之之间间关关系系，拉应力的壁为邻壁，决定收缩应力大小拉应力的壁为邻壁，决定收缩应力大小a,b 2 2）拉拉筋筋：若若断断面面呈呈U U形形，半半圆圆时时，凝凝固固、冷冷却却后后出出现现变变形形，而而防防止止拉拉筋筋（在在变变形形处处），热处理后去除。热处理后去除。 拉拉筋筋厚厚度度小小于于铸铸件件厚厚度度，保保证证拉拉筋筋先先于于铸铸件凝固，拉筋厚度为铸件厚度的倍。件凝固，拉筋厚度为铸件厚度的倍。 实际用反变形模样实际用反变形模样 反变形量反变形量C C。
