第三章 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

第一節(jié)澆注系統(tǒng)一、澆注系統(tǒng)的組元澆口杯：接納、引入金屬直澆道：引入金屬，形成壓頭橫澆道：引入金屬，阻撇熔渣內(nèi)澆道：引入金屬，調(diào)控溫度場(chǎng)第三章澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

二、對(duì)澆注系統(tǒng)的要求足夠的澆注速度，流動(dòng)平穩(wěn)，滿足一定時(shí)間內(nèi)充滿型腔；防止沖砂，防止鑄件出現(xiàn)夾砂、冷隔等缺陷；防止旋渦，防止吸氣或金屬過(guò)度氧化；內(nèi)澆道的位置和數(shù)量符合鑄件所需凝固或補(bǔ)縮原那么；結(jié)構(gòu)合理，造型簡(jiǎn)單；澆注系統(tǒng)本身消耗金屬少。三、澆注系統(tǒng)的類型

1.頂注式

a)普通式b)楔形式

c)壓邊式d)雨淋式

e)搭邊式

〔一〕按內(nèi)澆道在鑄件上的位置分壓頭大，流動(dòng)阻力小，能夠減少澆缺乏、冷隔缺陷；溫度分布上高低低，鑄件補(bǔ)縮效果好對(duì)型腔底部沖擊力大，易激濺、氧化、卷入空氣，可造成砂眼、鐵豆、氣孔、氧化夾渣等缺陷。頂注式的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：充型平穩(wěn)。橫澆道、內(nèi)澆道充滿時(shí)利于擋渣；能夠減少金屬氧化。缺點(diǎn)：溫度分布下高上低，鑄件補(bǔ)縮效果不好；內(nèi)澆道附近易于過(guò)熱，易發(fā)生縮松和晶粒粗大等缺陷；鑄件頂部、遙遠(yuǎn)處容易形成澆不到，冷隔等缺陷。應(yīng)用：主要用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種黑色金屬鑄件和易氧化的有色合金鑄件。底注式的優(yōu)缺點(diǎn)汽缸頭中間澆注綜合有頂注式和底注式的優(yōu)缺點(diǎn)；內(nèi)澆道、橫澆道設(shè)在分型面上，造型方便。中間澆注應(yīng)用廣泛

兼有底注式和頂注式的優(yōu)點(diǎn)，充型平穩(wěn)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和計(jì)算較難。用于高度大的中、大型鑄件。階梯式或縫隙式用于垂直分型無(wú)箱擠壓造型或金屬型鑄造階梯式的優(yōu)缺點(diǎn)1、封閉式澆注系統(tǒng)

∑Ａ內(nèi)<∑Ａ橫<Ａ直一般為∑Ａ內(nèi)：∑Ａ橫：Ａ直＝1：1.1：1.15特點(diǎn)：

擋渣力強(qiáng)，金屬消耗少，易清理；充型流速高，易噴射沖砂；用于不易氧化的金屬。

〔二〕按澆注系統(tǒng)各組元截面積的比例關(guān)系分

２、開(kāi)放式澆注系統(tǒng)∑Ａ內(nèi)>∑Ａ橫>Ａ直

開(kāi)放式澆注系統(tǒng)初期各組元不可能全充滿，撇渣能力較差，充形流速不高；沖刷力小，受氧化的程度輕。用于易氧化的有色合金鑄件、球鐵鑄件。對(duì)于鋁、鎂合金，常用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。各組元截面積比可參考應(yīng)用：

Ａ直：∑Ａ橫：∑Ａ內(nèi)=1：2：4四澆注系統(tǒng)組元設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新思維1、澆口杯中加過(guò)濾網(wǎng)，澆口盆中采用擋渣措施。

3、提升橫澆道的撇渣效果

前過(guò)濾阻流式緩流式離心集渣式輕合金澆注系統(tǒng)中安裝過(guò)濾網(wǎng)4、內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)1〕內(nèi)澆道的作用：控制液態(tài)金屬充型速度和流動(dòng)方向、溫度分布和凝固順序。2〕形狀：扁平梯形、月牙形和三角形。3〕位置的選擇：依據(jù)鑄件所需凝固方式和流動(dòng)特性考慮。同時(shí)凝固：對(duì)于壁厚均勻的鑄件，擬采用多個(gè)內(nèi)澆道分散引入；對(duì)于不均勻的鑄件，那么從薄壁處引入。順序凝固：從厚壁處引入金屬液。5、確定內(nèi)澆道位置的幾個(gè)具體問(wèn)題結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，壁厚差異大的補(bǔ)縮區(qū)域那么按順序凝固從厚處引入；整個(gè)鑄件按同時(shí)凝固方式采用多個(gè)內(nèi)澆道充型。要求各內(nèi)澆道的流量分布合理。液流順壁流入，不沖刷型壁、型芯和鑄型凸出局部。避開(kāi)鑄件重要部位，防止晶粒粗大。造型、清理操作方便，不阻礙鑄件收縮。第二節(jié)澆注系統(tǒng)的計(jì)算1、奧贊(Osann)公式—阻流〔最小〕截面積的計(jì)算。阻流〔最小〕組元指澆注系統(tǒng)中最小截面積的澆道，一般為內(nèi)澆道，即A阻=

1〕金屬充填型腔時(shí)平均靜壓頭Hp的計(jì)算

根據(jù)水力學(xué)相關(guān)公式推導(dǎo)得知，對(duì)于從分型面注入：Hp=Ho–P2/2C式中Ho—阻流面以上的金屬液靜壓頭，mm;P—阻流面以上的型腔高度，mm;C—鑄件高度，mm;對(duì)于

頂注式

：P=O,Hp=Ho底注式

：Hp=Ho-

C/22〕澆注時(shí)間確實(shí)定澆注快慢對(duì)鑄件質(zhì)量有重大影響。澆注時(shí)間主要根據(jù)合金性質(zhì)靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選擇。球墨鑄鐵件的澆注時(shí)間參照?qǐng)D示曲線查詢。一般采用快澆。對(duì)于收縮大的合金件，采用慢澆有利于補(bǔ)縮。3〕流量系數(shù)μ確實(shí)定鑄鐵件流量系數(shù)鑄鋼件流量系數(shù)球墨鑄鐵件流量系數(shù)計(jì)算步驟：以內(nèi)澆道為阻流〔最小〕截面，用奧贊(Osann)公式計(jì)算每個(gè)內(nèi)澆道截面積。式中Hp可用澆口杯中液面到內(nèi)澆道中心的距離Ho計(jì)算。配套措施：1〕澆口杯應(yīng)足夠大；2〕嚴(yán)格控制澆注時(shí)間。各層鑄件內(nèi)澆道的金屬壓力頭：

h1=100mm；

h2=250mm；

h3=350mm。2、計(jì)算型內(nèi)金屬質(zhì)量m/kg型內(nèi)金屬質(zhì)量〔即鐵水質(zhì)量數(shù)〕為2×12/0.7=34.3kg。3、澆注時(shí)間生產(chǎn)節(jié)拍為12S/型。查表澆注時(shí)間為8S。約用2S充滿澆注系統(tǒng)，那么充填單個(gè)型腔的凈澆注時(shí)間為6S。每個(gè)型腔的澆注速度應(yīng)為2kg/6S≈0.33kg/S。計(jì)算實(shí)例：1、繪制模板布置簡(jiǎn)圖

4、選用澆口杯根據(jù)鑄型的澆注速度，使用4號(hào)澆口杯，鐵液積存5.5kg；5、分別計(jì)算或由內(nèi)澆道計(jì)算諾謨圖查各層內(nèi)澆道截面積：〔流量系數(shù)取μ=0.5〕S1=70mm2；S2=45mm；S3=38mm2。6、分直澆道截面積∑S內(nèi)=2×〔70+45+38〕=306mm2,S分直=1.2×S內(nèi)=306×1.2=367mm2分直澆道的截面尺寸：上底寬11mm；下底寬22mm；高22mm。實(shí)際：S分直=363mm2。7、水平橫澆道尺寸S橫=1.3×363mm2=472mm2。選上底寬12.5mm；下底寬25mm；高25mm；實(shí)際截面積469mm2。小結(jié)—澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟選擇澆注系統(tǒng)類型；確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目和金屬引入方向；決定直澆道高度〔一般取決于砂箱高度〕；計(jì)算澆注時(shí)間并核算金屬在型內(nèi)的上升速度；計(jì)算阻流〔最小〕截面積；確定組元截面積比；于鑄造工藝上繪制澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組元截面圖。復(fù)習(xí)題1．澆注系統(tǒng)由哪些局部組成？分別說(shuō)明各個(gè)組元的作用？2．比較頂注式和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。3．比較封閉式和開(kāi)放式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。4.如何提高橫澆道的撇渣效果？5.內(nèi)澆道在鑄件澆鑄中能夠起到哪些重要作用？6．確定內(nèi)澆道位置要注意哪些具體問(wèn)題？7．如何應(yīng)用奧贊(Osann)公式計(jì)算阻流截面積？如何確定或計(jì)算式中各個(gè)工藝參數(shù)？8．一鑄鐵件重5噸，平均壁厚為30毫米，試求澆注時(shí)間？假設(shè)為鑄鋼件，其澆注時(shí)間應(yīng)為多少？第三節(jié)冒口、冷鐵與鑄肋１、冒口的作用：補(bǔ)縮、排氣、集渣冒口種類普通冒口頂冒口、暗冒口側(cè)冒口

特種冒口大氣壓力冒口發(fā)熱冒口保溫冒口鑄鐵件的實(shí)用冒口澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口控制壓力冒口２、冒口種類一概述球形

圓柱形〔帶斜度〕

球頂圓柱形

腰圓柱形

暗腰圓柱形４、冒口形式a〕鑄鋼件明邊冒口b〕鑄鐵件暗邊冒口３、冒口形狀

５、冒口位置1、鑄件熱節(jié)上方或側(cè)旁；2、鑄件最高最厚部位；3、一個(gè)冒口同時(shí)補(bǔ)縮幾個(gè)鑄件；4、不選應(yīng)力集中部位，希望放在加工面上；5、用冷鐵隔開(kāi)冒口的補(bǔ)縮范圍。

二

鑄鋼件冒口的設(shè)計(jì)與計(jì)算冒口必須提供足夠的金屬液，補(bǔ)償鑄件凝固的體收縮,條件應(yīng)有：即Vr=Vcε/(η-ε)式中：Vr—冒口體積；Vc—鑄件體積；

Ve—型壁移動(dòng)所擴(kuò)大的體積；ε—體收縮率；

η—冒口補(bǔ)縮效率?！?/p>

常用合金的體收縮率ε

冒口種類或工藝措施η（%）圓柱或腰園柱形冒口球形冒口補(bǔ)澆冒口時(shí)澆口通過(guò)冒口時(shí)發(fā)熱保溫冒口大氣壓力冒口12～1515～2015～2030～3530～5015～20冒口的補(bǔ)縮效率η鑄件材質(zhì)ε（%）中碳鋼wc=1%鋼灰鑄鐵白口鑄鐵純鋁純銅2.5～3.04.01.9～膨脹4.0～5.56.64.92〔一〕應(yīng)用模數(shù)法計(jì)算冒口尺寸1、模數(shù)概念冷凝物體的模數(shù)是它的體積V和散熱面積A之比。即M=V/A計(jì)算原理是基于冒口的凝固時(shí)間τr

大于鑄件補(bǔ)縮部位的凝固時(shí)間τc

，即τr≥τc

而

τc=；τr

=∴

≥式中Mr、Mc—冒口與被補(bǔ)縮鑄件部位的模數(shù)；Kr、Kc—冒口與被補(bǔ)縮鑄件的凝固系數(shù)。對(duì)于普通冒口，Kr=Kc，∴Mr=fMcf—冒口平安系數(shù)，一般取f=1.2。對(duì)于碳鋼、低合金鋼鑄件側(cè)冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2內(nèi)澆道通過(guò)冒口：Mc:Mn:Mr=1:〔1～1.03〕:1.2頂冒口：Mr=〔1.2～1〕Mc式中Mn為冒口頸的模數(shù)。2、簡(jiǎn)單幾何體及熱節(jié)部位模數(shù)的計(jì)算〔參照教材P106-P107〕用“一倍厚度法〞求熱節(jié)模數(shù)a〕平板或圓柱〔a≥5T〕：M=T/2b〕矩、方形體：M=ab/2〔a＋b〕c〕立方體、圓柱體、球：M=a/bd〕空心圓柱體：M=a/23、模數(shù)法冒口設(shè)計(jì)步驟把鑄件劃分為幾個(gè)補(bǔ)縮區(qū)，按簡(jiǎn)單幾何體及熱節(jié)點(diǎn)模數(shù)公式計(jì)算各區(qū)的鑄件模數(shù)Mc。計(jì)算冒口及冒口頸的模數(shù)。確定冒口形狀和尺寸〔應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)系列的冒口尺寸〕。檢查順序凝固條件，如補(bǔ)縮距離是否足夠，補(bǔ)縮通道是否暢通。應(yīng)用Vr=Vcε/(η-ε)公式校核冒口補(bǔ)縮能力。4、冒口設(shè)計(jì)計(jì)算舉例鑄鋼件：ZG310-570；710kg。1).求鑄件模數(shù)Mc上、下凸緣共計(jì)四個(gè)冒口。每個(gè)冒口補(bǔ)縮半個(gè)凸緣。依據(jù)教材表4-8中管與法蘭相交計(jì)算圖中：b=20cm；非冷卻面c=8cm；取熱節(jié)圓直徑Dr=a=10cm代入得

Mc=3.84cm暗冒口頂冒口

頂冒口

暗冒口2).求Mr、Mn冒口模數(shù)Mr=1.2Mc=4.6cm；底部用側(cè)暗冒口，冒口頸模數(shù)Mn=1.03Mc=4cm。3).體收縮率〔ZG310-570〕取ε=5％4).確定冒口形狀與尺寸頂部設(shè)計(jì)為明腰圓柱形冒口，取Mr=4.5cm；其根部尺寸a=170mm，b=380mm；單個(gè)冒口質(zhì)量m=129kg，單個(gè)冒口最大補(bǔ)縮能力為280kg。底部側(cè)暗冒口亦取Mr=4.5cm，根部直徑d=120mm，高360mm；冒口頸寬240mm，頸高127mm，單個(gè)冒口最大補(bǔ)縮能力為195kg。5).校核冒口數(shù)量近似地用圓筒φ400計(jì)算法蘭熱節(jié)中心周長(zhǎng)πd=1256mm，顯示側(cè)暗冒口數(shù)目缺乏，但根本滿足要求。6).校核冒口最大補(bǔ)縮能力四個(gè)冒口總質(zhì)量為950kg，有足夠鋼液提供補(bǔ)縮。〔二〕應(yīng)用補(bǔ)縮液量法計(jì)算冒口尺寸原理:①鑄件、冒口的凝固層增長(zhǎng)速度相等；②冒口內(nèi)供補(bǔ)縮用的金屬液體積〔名義縮孔體積〕為直徑d0的球。③冒口凝固層厚度為鑄件厚度之一半。④冒口中縮孔球直徑d0等于冒口直徑與鑄件厚度之差。

冒口鑄件即

d0=Dr-T

∵根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取冒口高度

Hr=〔1.15～1.8〕Dr注：令直徑為d0的球體等于鑄件被補(bǔ)縮的金屬液體積?！郉r

—冒口直徑。式中ε—體收縮率；Vc—鑄件體積；〔三〕應(yīng)用比例法計(jì)算冒口尺寸應(yīng)用比例法計(jì)算冒口尺寸簡(jiǎn)單易行，廣為采用?，F(xiàn)以輪形鑄鋼件為例，介紹應(yīng)用比例法計(jì)算冒口尺寸。1、熱節(jié)圓直徑dy確實(shí)定根據(jù)零件尺寸加上加工余量和收縮量在圖上直接量出。2、按比例確定輪緣冒口尺寸⑴放上冒口補(bǔ)貼沿冒口方向在鑄件斷面上為增加補(bǔ)縮效果而逐漸增厚的多余金屬，被稱為冒口補(bǔ)貼。⑵冒口補(bǔ)貼按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

d1=〔1.3～1.5〕dy；

R1=Rc＋dy＋〔1～3〕mm；

R2=〔0.5～1〕dy。⑶冒口尺寸暗冒口：Br=〔2.2～2.5〕dy

明冒口：Br=〔1.8～2.0〕dyAr=〔1.5～1.8〕BrHr=〔1.15～1.8〕Br碳鋼件冒口的有效補(bǔ)縮距離如下圖。平板鑄件的縮松區(qū)板件及桿件鑄鋼冒口的有效補(bǔ)縮距離a〕寬厚比≥5：1b〕寬厚比＜5：1⑷關(guān)于冒口有效補(bǔ)縮距離的說(shuō)明補(bǔ)縮的根本條件：凝固時(shí)間應(yīng)大于或等于鑄件被補(bǔ)縮局部的凝固時(shí)間；有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件〔或鑄件被補(bǔ)縮局部〕的收縮；鑄件上被補(bǔ)縮部位內(nèi)必須保持有通暢的金屬液補(bǔ)縮通道。冒口有效補(bǔ)縮距離：指在鑄件壁的某一段長(zhǎng)度或高度內(nèi)具有有效補(bǔ)縮。板形鑄鋼件：L=4.5T桿形鑄鋼件：L=30√T

如上圖所示，冒口有效補(bǔ)縮距離

L=冒口區(qū)+末端區(qū)L與鑄件的結(jié)構(gòu)、合金成分、冷卻條件有關(guān)。灰口鑄鐵件：L=〔6～10〕Dr球墨鑄鐵呈“糊狀凝固〞,冒口的有效補(bǔ)縮距離較灰鑄鐵小，其不同條件下的濕型試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)下表。鑄件壁厚δ/mm水平補(bǔ)縮垂直補(bǔ)縮濕型濕型濕型殼型6.35——31.75————12.70101.6-114.3101.688.988.915.86————127.0——25.4101.6-127.0114.3127.0165.138.1139.7-152.4————228.6應(yīng)用鑄件邊緣多處布置外冷鐵增加中間激冷端的方法,能夠大大延長(zhǎng)冷鐵末端區(qū)的長(zhǎng)度,從而可以顯著加大冒口有效補(bǔ)縮距離。冷鐵對(duì)冒口有效補(bǔ)縮距離的影響〔5〕布置外冷鐵加大冒口有效補(bǔ)縮距離〔四〕鑄件工藝出品率的校核