1、液态金属成型及CAD浇注系统与冒口设计部分浇注系统与冒口设计部分主讲主讲 吴士平吴士平 副教授副教授第1页，共126页。1、何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。第2页，共126页。缺点：缺点：1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。优点：优点：1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可
2、由0.5mm到1m左右。3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。2、铸造优缺点第3页，共126页。第4页，共126页。第5页，共126页。图图3-2 3-2 铸造产品铸造产品第6页，共126页。第一节第一节 浇注系统设计浇注系统设计 3-1 浇注系统概念浇注系统概念 一、一、什么是浇注系统什么是浇注系统 在铸型上用以把金属液体从浇包引入到型腔内所经过在铸型上用以把金属液体从浇包引入到型腔内所经过的一系列通道称为浇注系统。的一系列通道称为浇注系统。将金属液体正确引入铸型型腔，对保证铸件的质量将金属液体正确引入铸型型腔，对保证铸件的质量起重要作用，一般铸件由于浇
3、注系统设置错误而造成起重要作用，一般铸件由于浇注系统设置错误而造成的铸件废品的，约占铸件总废品的的铸件废品的，约占铸件总废品的30%，使金属液的消，使金属液的消耗增加；铸件成本增加耗增加；铸件成本增加 第三章第三章 浇冒口系统设计浇冒口系统设计 第7页，共126页。二、二、浇注系统的主要作用浇注系统的主要作用1.保证金属液体平稳地、无冲击地充满型腔；保证金属液体平稳地、无冲击地充满型腔；2.防止熔渣随同金属液体进入型腔；防止熔渣随同金属液体进入型腔；3.防止金属液卷入气体带入型腔；防止金属液卷入气体带入型腔；4.防止铸件产生渣眼、沙眼、气孔缺陷；防止铸件产生渣眼、沙眼、气孔缺陷；金属液引入型腔
4、位置会影响铸型与铸件的温度分布，金属液引入型腔位置会影响铸型与铸件的温度分布，对铸件缩孔、缩松、内应力的产生有直接影响对铸件缩孔、缩松、内应力的产生有直接影响 第8页，共126页。三、三、浇注系统的组成浇注系统的组成浇口杯浇口杯承接浇包中的液体金属。承接浇包中的液体金属。直浇道直浇道将金属液由浇口杯引入到横浇道。将金属液由浇口杯引入到横浇道。横浇道横浇道将金属液引入到内浇道，阻挡熔渣将金属液引入到内浇道，阻挡熔渣、气体、砂粒进入型腔。、气体、砂粒进入型腔。内浇道内浇道将金属液体引入型腔。将金属液体引入型腔。第9页，共126页。第10页，共126页。3-2浇注系统类型浇注系统类型一、浇注系统按内
5、浇道设置在铸件的不同高度处分类一、浇注系统按内浇道设置在铸件的不同高度处分类（见图（见图3-2-3.a)、b)、c)、d)）1.顶注式浇注系统顶注式浇注系统内浇道设置在铸件的最高处；内浇道设置在铸件的最高处；2.中间注入式浇注系统中间注入式浇注系统内浇道设置在铸件侧面，从内浇道设置在铸件侧面，从铸件中间高度引入；铸件中间高度引入；3.底注式浇注系统底注式浇注系统内浇道设置在铸件最低处侧面或底内浇道设置在铸件最低处侧面或底部；部；.阶梯式浇注系统阶梯式浇注系统内浇道设置在铸件一侧不同高度内浇道设置在铸件一侧不同高度多层式引入；多层式引入；第11页，共126页。第12页，共126页。1.顶注式；顶
6、注式；优点优点：金属液自由下落，逐渐地自下而上充满：金属液自由下落，逐渐地自下而上充满型腔，创造自下而上逐步升高的温度梯度，有型腔，创造自下而上逐步升高的温度梯度，有利于铸件的方向性（顺序）凝固和自补缩，也利于铸件的方向性（顺序）凝固和自补缩，也有利于在顶部设置冒口补缩，而且冒口尺寸可有利于在顶部设置冒口补缩，而且冒口尺寸可以较小。浇注系统结构较简单，消耗金属液较以较小。浇注系统结构较简单，消耗金属液较少，清理铸件容易。少，清理铸件容易。缺点缺点：金属液自由下落，冲击力大，充型不平：金属液自由下落，冲击力大，充型不平稳，易发生飞溅，氧化和卷入空气等现象。铸稳，易发生飞溅，氧化和卷入空气等现象。
7、铸件中容易出现砂眼，冷豆、气孔和夹杂等缺陷。件中容易出现砂眼，冷豆、气孔和夹杂等缺陷。第13页，共126页。应用应用：重量不大，不高和形状简单的薄壁或：重量不大，不高和形状简单的薄壁或中等壁厚的铸件。中等壁厚的铸件。顶注式浇注系统的其它形式：顶注式浇注系统的其它形式：雨淋式和压边浇口雨淋式和压边浇口第14页，共126页。第15页，共126页。.底注式浇注系统：底注式浇注系统：它是内浇道开设在型腔底侧或底下的浇它是内浇道开设在型腔底侧或底下的浇注系统。注系统。优点优点：金属液充型平稳，液面逐渐升高，：金属液充型平稳，液面逐渐升高，可以避免冲击，飞溅和氧化及由此而形成的可以避免冲击，飞溅和氧化及由
8、此而形成的铸件缺陷。型腔内气体容易逐渐排出。整个铸件缺陷。型腔内气体容易逐渐排出。整个浇注系统较快充满，有利于横浇道撇渣。浇注系统较快充满，有利于横浇道撇渣。缺点缺点：型腔底部金属液温度较高，液面：型腔底部金属液温度较高，液面温度较低，进入顶冒口中的金属液的温度较温度较低，进入顶冒口中的金属液的温度较低，这种温度分布与自补缩所要求的相反，低，这种温度分布与自补缩所要求的相反，不利于补缩。不利于补缩。第16页，共126页。第17页，共126页。应用应用：金属液消耗较大，适用于中型或大金属液消耗较大，适用于中型或大型的较高壁厚铸件。结构复杂的铸件。型的较高壁厚铸件。结构复杂的铸件。易氧化的合金。易
9、氧化的合金。第18页，共126页。.分型面（中间）注入式浇注系统分型面（中间）注入式浇注系统 金属液经过开在分型面上的横浇道和内浇道金属液经过开在分型面上的横浇道和内浇道进入型腔。也就是对于分型面以下的那部分是顶进入型腔。也就是对于分型面以下的那部分是顶注，而对于分型面以上的那部分则为底注，故部注，而对于分型面以上的那部分则为底注，故部分兼有顶注和底注的优点。分兼有顶注和底注的优点。由于内浇道在分型面上开设，就能方便地由于内浇道在分型面上开设，就能方便地按需作出布置，有利于控制金属液的流量分布按需作出布置，有利于控制金属液的流量分布和铸型的热分布，对形状复杂的铸件十分有利和铸型的热分布，对形状
10、复杂的铸件十分有利。这种浇注系统应用很普遍，适用于中等重量。这种浇注系统应用很普遍，适用于中等重量、高度不大、中等壁厚的铸件、高度不大、中等壁厚的铸件。第19页，共126页。第20页，共126页。.阶梯式浇注系统阶梯式浇注系统金属液应该是先按底注方式又最下层内浇道引入型腔，金属液应该是先按底注方式又最下层内浇道引入型腔，待金属液面接近第二层内浇道时，才有第二层内浇道引金属待金属液面接近第二层内浇道时，才有第二层内浇道引金属液进入型腔，液进入型腔，如此类推，使金属液由下面逐层按顺序如此类推，使金属液由下面逐层按顺序充填型腔，最热的金属液经最高的那层内浇道进入型腔顶充填型腔，最热的金属液经最高的那
11、层内浇道进入型腔顶部或顶冒口中，见图部或顶冒口中，见图3-2-8。第21页，共126页。第22页，共126页。优点优点：金属液在充填过程中对铸型的冲击少；液面：金属液在充填过程中对铸型的冲击少；液面上升平稳，且逐渐上部分的温度较高有利于渣、气等上上升平稳，且逐渐上部分的温度较高有利于渣、气等上浮和排入冒口中，对改善铸件的补缩条件和均匀铸型的浮和排入冒口中，对改善铸件的补缩条件和均匀铸型的温度都有良好的作用。温度都有良好的作用。缺点缺点：结构比较复杂，增大造型、清理等工序工：结构比较复杂，增大造型、清理等工序工作量。作量。第23页，共126页。应用应用：多应用于比较高大、型腔部较复杂，收缩量较大
12、或质：多应用于比较高大、型腔部较复杂，收缩量较大或质量要求较高的铸件。量要求较高的铸件。注意，阶梯式如不能分层进入，其危害是很大的，注意，阶梯式如不能分层进入，其危害是很大的，如：飞溅、夹杂等。要保证内浇道分层注入金属液，就如：飞溅、夹杂等。要保证内浇道分层注入金属液，就要保证在内浇道中线以上的分配直浇道中保持某个高度要保证在内浇道中线以上的分配直浇道中保持某个高度的自由液面的自由液面 h自由自由，它应该小于相邻二个内浇道之间距离，它应该小于相邻二个内浇道之间距离H0。h有效有效=（1/41/2）H0h有效有效为分配直浇道内自由液面与型腔内液面之间差值。为分配直浇道内自由液面与型腔内液面之间差
13、值。第24页，共126页。二、按浇注系统各基本组元截面积的比例二、按浇注系统各基本组元截面积的比例 分类分类 1.封闭式浇注系统封闭式浇注系统这种浇注系统各组元中总截面这种浇注系统各组元中总截面积最小时内浇道，也就是说内浇道成了该系统中的阻流截面积最小时内浇道，也就是说内浇道成了该系统中的阻流截面。统常写成。统常写成 F直直F横横F内内 特点：特点：浇注系统易被金属液充满，撇渣能力好，可防浇注系统易被金属液充满，撇渣能力好，可防止气体卷入。但由于内浇道流出的金属液体受该系统中止气体卷入。但由于内浇道流出的金属液体受该系统中有效压头的直接作用，因此流速较大，有时会发生喷射有效压头的直接作用，因此
14、流速较大，有时会发生喷射现象，因而，不适宜用于易氧化的有色金属件或压头大现象，因而，不适宜用于易氧化的有色金属件或压头大的件，也不宜用于用柱塞包浇注的铸钢件。的件，也不宜用于用柱塞包浇注的铸钢件。第25页，共126页。2.开放式浇注系统开放式浇注系统 一般说来，这种浇注系统就一般说来，这种浇注系统就是是F直直F横横F内内，即是系统中的阻流截面在直浇道下端或，即是系统中的阻流截面在直浇道下端或者在它附近的横浇道上，以期直浇道充满。者在它附近的横浇道上，以期直浇道充满。特点特点：它主要适用于易氧化的有色金属铸件，球：它主要适用于易氧化的有色金属铸件，球铁铸件和柱塞包浇注的中大型铸钢件。铁铸件和柱塞
15、包浇注的中大型铸钢件。开放式浇注系统在一定比例和一定条件下，也是开放式浇注系统在一定比例和一定条件下，也是可以充满的可以充满的 在铝镁合金逐渐上通常的比例是在铝镁合金逐渐上通常的比例是 F直直:F横横:F内内=1:2:4 第26页，共126页。3-3 浇注系统基本组元中的水力学现象浇注系统基本组元中的水力学现象 金属液流进入砂型的浇注系统（浇口杯、直浇道、金属液流进入砂型的浇注系统（浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道），发生许多物理的和物理化学过程，横浇道、内浇道），发生许多物理的和物理化学过程，如金属的冲刷、热交换、金属粘度变化、产生二次氧化如金属的冲刷、热交换、金属粘度变化、产生二次氧化渣。这
16、些现象说明金属液在浇注系统内的流动和一般流渣。这些现象说明金属液在浇注系统内的流动和一般流体在管道内的流动有区别。体在管道内的流动有区别。由于砂型壁是多孔的，具有透气性，所以只当浇注由于砂型壁是多孔的，具有透气性，所以只当浇注系统介面上各点的金属压力系统介面上各点的金属压力P均均大于型壁处的气体压力大于型壁处的气体压力P0时，流动的金属液才能充满浇道（简称为充满状态流动）时，流动的金属液才能充满浇道（简称为充满状态流动）。反之，则液流会脱离型壁而不能充满浇道。反之，则液流会脱离型壁而不能充满浇道。第27页，共126页。一、一、浇口杯浇口杯 浇口杯的作用是便于承接来自浇包的金属液，防止它浇口杯的
17、作用是便于承接来自浇包的金属液，防止它的飞溅和溢出；减少金属液对铸型的直接冲击；可能撇的飞溅和溢出；减少金属液对铸型的直接冲击；可能撇去部分熔渣、杂质、阻止其进入直浇道内；利用浇口杯去部分熔渣、杂质、阻止其进入直浇道内；利用浇口杯可提高金属静压力，可以使用较低砂箱。可提高金属静压力，可以使用较低砂箱。浇口杯分为漏斗形浇口杯和浇口盒浇口杯分为漏斗形浇口杯和浇口盒（一）、漏斗形浇口杯（一）、漏斗形浇口杯 漏斗形浇口杯撇渣效果差，但结构简单，节约漏斗形浇口杯撇渣效果差，但结构简单，节约金属，多用于一般铸铁小件。（图金属，多用于一般铸铁小件。（图3-2-10 a）对于重要的件，常配合过滤网使用。（图对
18、于重要的件，常配合过滤网使用。（图3-2-10 b）第28页，共126页。第29页，共126页。（二）、浇口盒（二）、浇口盒 对于较大的铸件，为了能较好的初次撇渣和控制流对于较大的铸件，为了能较好的初次撇渣和控制流量以及均匀地供给金属，常采用浇口盒，如图量以及均匀地供给金属，常采用浇口盒，如图3-2-11 a 所示，金属也从侧面进入浇口杯时，产生二支股流，所示，金属也从侧面进入浇口杯时，产生二支股流，一支股流在垂直面内运动，会耗损能量，减小流量，一支股流在垂直面内运动，会耗损能量，减小流量，但有利于渣和气泡上浮。但有利于渣和气泡上浮。第30页，共126页。第31页，共126页。另一支股流绕直浇
19、道口作回转运动，当达到某一定速另一支股流绕直浇道口作回转运动，当达到某一定速度时就形成水平涡流。涡流中心即为直浇道口，涡流度时就形成水平涡流。涡流中心即为直浇道口，涡流将在金属液自由表面形成一个充满空气的涡管，涡管将在金属液自由表面形成一个充满空气的涡管，涡管处压力很低，附近的渣和气会被直接吸入直浇道内，处压力很低，附近的渣和气会被直接吸入直浇道内，从而降低铸件质量。从而降低铸件质量。消除涡流的方法就是降低浇包高度，沿浇口消除涡流的方法就是降低浇包高度，沿浇口盒长度方向浇注时，由于不易产生高速的水平涡流，盒长度方向浇注时，由于不易产生高速的水平涡流，通常不形成涡流。通常不形成涡流。还有，纵向顺
20、浇：渣等轻质点易进入直浇道。纵向反还有，纵向顺浇：渣等轻质点易进入直浇道。纵向反浇时，产生一个向上的回转作用，有助于渣、气等上浮。浇时，产生一个向上的回转作用，有助于渣、气等上浮。（图（图3-2-13 a、b）侧向反浇最好，纵向顺浇次之，测浇底坎作用不明显侧向反浇最好，纵向顺浇次之，测浇底坎作用不明显易形成水平涡流（不好）。易形成水平涡流（不好）。第32页，共126页。第33页，共126页。图图3-2-14 d 是一种常见的浇口杯形式，其底坎促使液流是一种常见的浇口杯形式，其底坎促使液流形成垂直涡流，从而减少杂质进入直浇道。形成垂直涡流，从而减少杂质进入直浇道。第34页，共126页。第35页，
21、共126页。a)合理合理 b)c)不合理不合理第36页，共126页。二、二、直浇道直浇道 直浇道的作用是，将来自浇口杯的金属液引入横浇道、直浇道的作用是，将来自浇口杯的金属液引入横浇道、内浇道并最后充填型腔。它提供足够的压头以保证金属液内浇道并最后充填型腔。它提供足够的压头以保证金属液克服沿程的各种阻力，在规定的时间内，以一定的速度充克服沿程的各种阻力，在规定的时间内，以一定的速度充填型腔。填型腔。一般直浇道锥度为一般直浇道锥度为1:50或或1:25 浇口杯与直浇道相接处的圆角浇口杯与直浇道相接处的圆角R0.25dh(h 直浇道直浇道)。图图3-2-17 水力模拟试验表明：当浇口杯与直浇道入口
22、处联水力模拟试验表明：当浇口杯与直浇道入口处联接为尖角时，直浇道呈非充满状态，而且在圆柱形直浇接为尖角时，直浇道呈非充满状态，而且在圆柱形直浇道内为负压流动，所以即使在充满状态下也将出现吸气道内为负压流动，所以即使在充满状态下也将出现吸气现象。当带锥度的直浇道内，锥度超过临界值时，将出现象。当带锥度的直浇道内，锥度超过临界值时，将出现正压流动，未有吸气现象。现正压流动，未有吸气现象。第37页，共126页。第38页，共126页。三、三、直浇道窝直浇道窝 直浇道转入横浇道是一个急转弯，如果金属液流速直浇道转入横浇道是一个急转弯，如果金属液流速大，将出现严重的紊流和冲刷铸型，设置浇口窝起缓大，将出现
23、严重的紊流和冲刷铸型，设置浇口窝起缓冲作用，减少对铸型的冲刷，还可以流动分布。冲作用，减少对铸型的冲刷，还可以流动分布。第39页，共126页。第40页，共126页。四、四、横浇道横浇道 主要作用：除了是金属液以均匀而足够的量平稳主要作用：除了是金属液以均匀而足够的量平稳的流入内浇口外，其结构开放式还要有利于渣及非的流入内浇口外，其结构开放式还要有利于渣及非金属夹杂物上浮并滞留在其顶部，而不随流进入型腔，金属夹杂物上浮并滞留在其顶部，而不随流进入型腔，故又称为撇渣道。因此希望金属液流流动平稳有利于故又称为撇渣道。因此希望金属液流流动平稳有利于撇渣。（常用办法利用水力学中局部阻力和沿程阻力撇渣。（
24、常用办法利用水力学中局部阻力和沿程阻力的概念来设计横浇道）。的概念来设计横浇道）。第41页，共126页。第42页，共126页。此外，横浇道的结构也有很大的作用：此外，横浇道的结构也有很大的作用：横浇道要有延长段（图横浇道要有延长段（图3-2-21）；）；要有足够长度、足够高度（图要有足够长度、足够高度（图3-2-22）；）；渣一般上浮，渣一般上浮，V2=2r2(液液-杂杂)/g液体在横浇道内流动分为液体在横浇道内流动分为V1、V2V1为液流速度，为液流速度，V2为上浮速度为上浮速度渣在渣在V1 V2复合作用下运动，应保证金属液入内浇道以复合作用下运动，应保证金属液入内浇道以前让渣浮到横浇道顶部
25、，留在横浇道内。当前让渣浮到横浇道顶部，留在横浇道内。当V1即金属即金属液流速过快时，紊流加大液流速过快时，紊流加大渣上浮阻力加大渣上浮阻力加大临界流速约临界流速约为悬浮速度，渣越小，悬浮速度越小，则危险性越大（越为悬浮速度，渣越小，悬浮速度越小，则危险性越大（越易进入内浇道）。易进入内浇道）。第43页，共126页。在内浇道入口处存在在内浇道入口处存在“吸动作用区吸动作用区”（图（图3-2-23）；）；这个区域范围略大于内浇道横截面积，并且与内这个区域范围略大于内浇道横截面积，并且与内浇道内多层金属液流速浇道内多层金属液流速V有关。有关。吸动区作用范围随吸动区作用范围随内浇道横截面积的增大及内
26、浇道与横浇道的高度比内浇道横截面积的增大及内浇道与横浇道的高度比 h内内/h横横的增大而增大加剧。（图的增大而增大加剧。（图3-2-24）（图（图3-2-25）将内浇道）将内浇道/横浇道联接处作了修改横浇道联接处作了修改（图（图3-2-26）在内浇道前面压缩流线，防止初始金）在内浇道前面压缩流线，防止初始金属液慢慢流入内浇道。属液慢慢流入内浇道。第44页，共126页。第45页，共126页。第46页，共126页。五、五、内浇道内浇道 内浇道的作用是控制金属液充填铸型的速度和方向，内浇道的作用是控制金属液充填铸型的速度和方向，调节铸型各部分的温度和铸件的凝固顺序。调节铸型各部分的温度和铸件的凝固顺
27、序。由图由图3-2-28，可知：如果截面积相等，离直浇道较远，可知：如果截面积相等，离直浇道较远的内浇道流出的流量最大，而靠近直浇道的内浇道流出的内浇道流出的流量最大，而靠近直浇道的内浇道流出的流量较小，但如果调整浇注系统各族元之间的比例适的流量较小，但如果调整浇注系统各族元之间的比例适当，内浇道之间的流量比是有可能调整到彼此较为接近，当，内浇道之间的流量比是有可能调整到彼此较为接近，那也就是说越远的面积越小。那也就是说越远的面积越小。第47页，共126页。通常用最大相对流量偏差值通常用最大相对流量偏差值K来评价内浇道中的流量来评价内浇道中的流量不均匀性。不均匀性。K=(max-min)/(Q
28、n-1)max 内浇道中最大流量内浇道中最大流量 min 内浇道中最小流量内浇道中最小流量 Q 系统中的总流量系统中的总流量 n 内浇道的个数内浇道的个数第48页，共126页。第49页，共126页。第50页，共126页。第51页，共126页。第52页，共126页。第53页，共126页。第54页，共126页。（图（图3-2-29）不同分布的内浇道中，最大流量偏差与不同分布的内浇道中，最大流量偏差与F损损F内内的关系的关系 （图（图3-2-29）横浇道变截面，变高度，但要考虑横浇道变截面，变高度，但要考虑吸动区（远端）。吸动区（远端）。（图（图3-2-29）逐渐减小内浇道面积的浇注系统，逐渐减小内
29、浇道面积的浇注系统，K最最小小 速度速度1/3等截面积的浇注系统，等截面积的浇注系统，K最大最大 速度速度1/2 表表3-2-1 第55页，共126页。第56页，共126页。第57页，共126页。进入内浇道速度过快是任何时候都不希望的，它可能导致进入内浇道速度过快是任何时候都不希望的，它可能导致互相混搅，二次夹渣。（内浇道互相混搅，二次夹渣。（内浇道 控制控制 流量均性，速度均流量均性，速度均性）性）内浇道截面形状，通常是扁梯形，其优点是它的高度内浇道截面形状，通常是扁梯形，其优点是它的高度底，不易把横浇道内的渣吸入，清理时容易打掉。底，不易把横浇道内的渣吸入，清理时容易打掉。第58页，共12
30、6页。第59页，共126页。第60页，共126页。-浇注系统充满理论浇注系统充满理论 砂型具有透气性，从这种特殊边界条件出发。可知砂型具有透气性，从这种特殊边界条件出发。可知只有金属流的压力只有金属流的压力P高于型壁的气流压力高于型壁的气流压力Pa时，才呈充满时，才呈充满状态。这时型壁对金属流有约束作用，除了砂粒承受金属的状态。这时型壁对金属流有约束作用，除了砂粒承受金属的压力外，砂粒间的微孔所形成的毛细管压力和孔内的气体压压力外，砂粒间的微孔所形成的毛细管压力和孔内的气体压力，共同阻止金属液深入孔隙；而液流压力力，共同阻止金属液深入孔隙；而液流压力P下降到等于型下降到等于型壁的气体压力壁的气
31、体压力Pa时，金属液流开始脱离型壁出现非充满状时，金属液流开始脱离型壁出现非充满状态。因此，砂型浇注系统的充满条件表示为：态。因此，砂型浇注系统的充满条件表示为：PPa 346 下面分析直浇道、横浇道充满条件。下面分析直浇道、横浇道充满条件。第61页，共126页。Z-ZI-IrhrhiH横第62页，共126页。347 r-r 至至i-i截面间流动阻力系数。截面间流动阻力系数。若横浇道呈充满流态，依式（若横浇道呈充满流态，依式（346）知）知rr截面上最高点的压力应截面上最高点的压力应高于型壁界面的压力。高于型壁界面的压力。348同理，内浇道最高点处的压力应等于型腔内气体的压力，近似等于同理，内
32、浇道最高点处的压力应等于型腔内气体的压力，近似等于Pa，于是于是349第63页，共126页。hrr-r截面重心到顶边的距离；截面重心到顶边的距离；hii-i截面重心到顶边的距离；截面重心到顶边的距离；将式将式349代入式代入式348中，消去中，消去Pa。然后以式。然后以式347减去减去348得得 简化为简化为 第64页，共126页。由于已假设浇注系统呈充满流态，即砂型浇注系统截由于已假设浇注系统呈充满流态，即砂型浇注系统截面也就是金属液的截面，由连续方程知，面也就是金属液的截面，由连续方程知，r-r截面上流体的缩小系数截面上流体的缩小系数；又知：又知：3-4-10 第65页，共126页。于是于
33、是,上式可转化为上式可转化为3-4-11 横浇道充满条件公式横浇道充满条件公式3-4-11式中内浇道的流速系数.当i-i截面充满时，也是内浇道的流量系数；H浇注系统总压头第66页，共126页。同理，在直浇道的任意高度同理，在直浇道的任意高度z-z面和内浇道的面和内浇道的i-i面之间应用伯努面之间应用伯努利方程、砂型充满条件和连续方程，可导出直浇道的充满条利方程、砂型充满条件和连续方程，可导出直浇道的充满条件及判别式件及判别式：3-4-12式中式中 为为z-z面至断面面至断面i-i的总阻力系数的总阻力系数 3-4-13第67页，共126页。其中：其中：直浇道上口处局部阻力系数；直浇道上口处局部阻
34、力系数；直浇道段的局部阻力系数直浇道段的局部阻力系数 直浇道底部拐向横浇道的局部阻力系数直浇道底部拐向横浇道的局部阻力系数 横浇道至内浇道出口段的局部阻力系数；横浇道至内浇道出口段的局部阻力系数；z-z面至基准面的距离面至基准面的距离从式从式3411和和3412可以看出，：若把液态金属视为理想流可以看出，：若把液态金属视为理想流体，则全部阻力系数均等于零，流量系数体，则全部阻力系数均等于零，流量系数1。只有。只有S直直S横横S内内才能满足充满条件，这就是传统的浇注系统充满理论。众所才能满足充满条件，这就是传统的浇注系统充满理论。众所周知，实际液态金属是有粘度的，不能作为理想流体去研究，周知，实
35、际液态金属是有粘度的，不能作为理想流体去研究，实际流体的流动阻力影响是不容忽视的。实际流体的流动阻力影响是不容忽视的。第68页，共126页。图图3428所示浇注系统，其浇口比为所示浇注系统，其浇口比为S直直：S横横：S内内1:2.5:2.5，浇注时仍呈正压充满状态流动，实际砂型浇注铸铁的试验得到浇注时仍呈正压充满状态流动，实际砂型浇注铸铁的试验得到同样的结论。同样的结论。第69页，共126页。326 提高横浇道撇渣能力的措施提高横浇道撇渣能力的措施一、几种常见的措施一、几种常见的措施第70页，共126页。第71页，共126页。二、使用陶瓷片的金属液郭履技术二、使用陶瓷片的金属液郭履技术第72页
36、，共126页。第73页，共126页。第74页，共126页。第75页，共126页。3-2-7 浇注系统位置的选择浇注系统位置的选择 浇注系统位置的选择就是选择将金属液引入型腔浇注系统位置的选择就是选择将金属液引入型腔的位置和考虑怎样安排冒口系统以达到有效充满型腔的位置和考虑怎样安排冒口系统以达到有效充满型腔和控制铸件的凝固过程，才能够获得合格铸件和控制铸件的凝固过程，才能够获得合格铸件浇注系统开设的原则浇注系统开设的原则1)从铸件的薄壁处引入从铸件的薄壁处引入 这种方法适用于薄壁而轮廓尺寸又大的铸件。（因为可这种方法适用于薄壁而轮廓尺寸又大的铸件。（因为可以实现同时凝固，应力小，适合收缩不大的灰
37、铁铸件）以实现同时凝固，应力小，适合收缩不大的灰铁铸件）2)从铸件的厚壁处引入从铸件的厚壁处引入创造顺序凝固，有利补缩铸件，（适合有一定壁厚差创造顺序凝固，有利补缩铸件，（适合有一定壁厚差而凝固时合金的收缩量较大的铸件，如铸钢件）而凝固时合金的收缩量较大的铸件，如铸钢件）第76页，共126页。)内浇道尽可能不开在铸件重要部位内浇道尽可能不开在铸件重要部位 局部过热，粗大局部过热，粗大(组织组织)易缩松易缩松)内浇道要引导液流不正面冲击铸型、砂芯等内浇道要引导液流不正面冲击铸型、砂芯等)浇注系统位置选择，应该使金属液在型腔内流动路浇注系统位置选择，应该使金属液在型腔内流动路径尽可能短，还应考虑不
38、妨碍铸件收缩径尽可能短，还应考虑不妨碍铸件收缩)内浇道应开在加工表面内浇道应开在加工表面 第77页，共126页。第78页，共126页。3-2-8 浇注系统的计算浇注系统的计算类型、位置确定之后，浇注系统各单元尺寸如何计算？类型、位置确定之后，浇注系统各单元尺寸如何计算？至今没有一个理论计算方法，可以把充填过程相互联系起至今没有一个理论计算方法，可以把充填过程相互联系起来（因浇金属液体是变温的流体）。型腔尺寸而只能近似来（因浇金属液体是变温的流体）。型腔尺寸而只能近似的计算。把金属液体看成是温度不变的流体。然后和用水的计算。把金属液体看成是温度不变的流体。然后和用水力学原理加以计算，把浇注系统看
39、成是一系列的管道。力学原理加以计算，把浇注系统看成是一系列的管道。第79页，共126页。设计思想：通常是先计算出浇注系统中控制液流速度的设计思想：通常是先计算出浇注系统中控制液流速度的最小总截面积或者阻流截面积的尺寸最小总截面积或者阻流截面积的尺寸F阻阻，然后从所推荐，然后从所推荐的浇口比中选择最接近现场具体情况的浇口比（经验的浇口比中选择最接近现场具体情况的浇口比（经验值），进而求出各组元的截面尺寸，再通过实际浇注值），进而求出各组元的截面尺寸，再通过实际浇注检验其效果，发现问题作相应的修改，直到合格铸件检验其效果，发现问题作相应的修改，直到合格铸件为止。为止。第80页，共126页。第81页
40、，共126页。一、一、常用浇注系统计算公式常用浇注系统计算公式 把充满浇注系统的金属液当作一种流体，在利用水力学经验数据得出把充满浇注系统的金属液当作一种流体，在利用水力学经验数据得出浇注系统其他各组元的尺寸，这是转包浇注铸件常用的计算方法。这类浇注系统其他各组元的尺寸，这是转包浇注铸件常用的计算方法。这类计算公式中没有考虑到柱形散热及金属液温度和化学成分的影响。计算公式中没有考虑到柱形散热及金属液温度和化学成分的影响。计算模型：计算模型：根据充填状况不同：根据充填状况不同：）顶注，（液流从上往下）顶注，（液流从上往下）底注，（液流从下往上）底注，（液流从下往上）为此，设计的以分型面浇注系统，
41、兼顾了两种情况为此，设计的以分型面浇注系统，兼顾了两种情况如图如图3-2-443-2-44 第82页，共126页。第一种情况：填充下型特点：出口处和浇口杯之间液柱高度不变，当最小截面是内浇道时，根据，伯努力方程得出：其中：H内浇道以上金属静压头；V金属液由内浇道流出的速度；总的阻力损耗，浇注系统中总的阻力系数第83页，共126页。第84页，共126页。第一种情况下充填型腔的金属液质量第一种情况下充填型腔的金属液质量式中：式中：F阻阻阻流截面面积阻流截面面积表示真实具有粘度的流体和没有表示真实具有粘度的流体和没有粘度的理想流体之间的比值，称为流流量粘度的理想流体之间的比值，称为流流量系数。系数。
42、第85页，共126页。于是：于是：第86页，共126页。第二种情况：充填内浇道以上的型腔部分，此时，内浇第二种情况：充填内浇道以上的型腔部分，此时，内浇道出口处压头道出口处压头P将不是零，而是内浇道以后的各种阻力之将不是零，而是内浇道以后的各种阻力之和，（包括内浇道出口处以上的型腔内金属液的平均静和，（包括内浇道出口处以上的型腔内金属液的平均静压力压力h和型腔内的总阻力损失和型腔内的总阻力损失h型损型损或或 于是，应用伯努利方程：于是，应用伯努利方程：设设H均均作用在内浇道中金属液上的实际压头的作用在内浇道中金属液上的实际压头的平均计算值平均计算值第87页，共126页。于是，当充填时间为于是，
43、当充填时间为 时时式中：式中：流量系数流量系数 m2 第二种情况下充填型第二种情况下充填型腔的金属液重量腔的金属液重量第88页，共126页。式中：式中：金属液的重量金属液的重量 m1、m2可以计算或承重可以计算或承重及及、可以通过查表计算出来可以通过查表计算出来将上述两种情形合起来，形成同时则为（或换算成将上述两种情形合起来，形成同时则为（或换算成m1=m2=然后相加）然后相加）H均=H充下型充下型第89页，共126页。m流经阻流断面的金属总质量流经阻流断面的金属总质量流经全部型腔时间流经全部型腔时间浇注系统阻流截面的流量系数浇注系统阻流截面的流量系数这里这里H均、及及待计算待计算第90页，共
44、126页。（一）、确定平均压头（一）、确定平均压头H均均要保证里直浇道最远的铸件的最高部位能充满和轮廓清晰，要保证里直浇道最远的铸件的最高部位能充满和轮廓清晰，铸件最高点与浇口杯液面之间必须保持一个最小压头铸件最高点与浇口杯液面之间必须保持一个最小压头HM剩余压头，剩余压头，它是否足够可用下式进行核算它是否足够可用下式进行核算HM=L tg式中：式中：L自直浇道顶面中心支柱性中铸件最高自直浇道顶面中心支柱性中铸件最高最远点的水平距离。最远点的水平距离。压力角，按表压力角，按表3-2-3确定确定 第91页，共126页。第92页，共126页。这样结合铸型高度这样结合铸型高度P，直浇道高度确定了直浇
45、道高度确定了 H0=HM M+P 其中：其中：P上型高度，上型高度，HM剩余压头剩余压头H均均如何计算如何计算采用直浇道所做的功来计算，平均压头采用直浇道所做的功来计算，平均压头 H均均 充填内浇道以下的下型部分所消耗的功为：充填内浇道以下的下型部分所消耗的功为：A1=m1gH0 充填内浇道以上部分所消耗的功为：充填内浇道以上部分所消耗的功为：A2=m2g H0+（H0-P）/2 第93页，共126页。充填整个铸型所消耗的功为：充填整个铸型所消耗的功为：A=A1+A2=m1g H0+m2g（H0-P/2）=（m1+m2）gH均均假设：在整个铸件高度上铸型截面是相等的。则假设：在整个铸件高度上铸
46、型截面是相等的。则 m1=S P m2=S（C-P）式中：式中：C铸件总高度铸件总高度 P上型高度上型高度S面积面积则：则：(C-P)H0+P(H0-2P)=CH均均H均均=H0-P2/2C不同类型浇注系统所采用的不同类型浇注系统所采用的H均均 见表见表3-2-4 第94页，共126页。第95页，共126页。（二）、浇注时间（二）、浇注时间的确定的确定 计算浇注时间可采用经验公式，表计算浇注时间可采用经验公式，表3-2-5 浇注时间：充满浇注系统和铸型所需的时间叫浇注时间：充满浇注系统和铸型所需的时间叫浇注时间浇注时间球铁、铸铁、铸钢、铜球铁、铸铁、铸钢、铜合金、铝合金都有各自的公式合金、铝合
47、金都有各自的公式 浇注速度：浇注全部液量浇注速度：浇注全部液量/浇注时间浇注时间。第96页，共126页。浇注时间决定浇注时间决定浇注速度：浇注速度：流速大：易冲砂，但辐射流速大：易冲砂，但辐射小，局部过热小，多用于小，局部过热小，多用于浇浇 薄、复杂件，易产生薄、复杂件，易产生夹砂。夹砂。浇速小：浇速小：浇注平稳，冲击小，减小冲浇注平稳，冲击小，减小冲砂或胀砂危险，但对铸型辐砂或胀砂危险，但对铸型辐射加剧，易产生夹砂、粉砂，射加剧，易产生夹砂、粉砂，生产率低的生产率低的第97页，共126页。第98页，共126页。第99页，共126页。因此，浇注速度要适合（通过限制浇注速度，反过来因此，浇注速度
48、要适合（通过限制浇注速度，反过来验算浇注时间）验算浇注时间）钢水上升最小速度表钢水上升最小速度表铁水上升最小速度表铁水上升最小速度表V升升铸型高度浇注时间铸型高度浇注时间第100页，共126页。第101页，共126页。第102页，共126页。（三）、流量系数（三）、流量系数 流量系数流量系数是浇注系统内沿程摩擦损耗和涡是浇注系统内沿程摩擦损耗和涡流损失的函数，它随流道的形状、尺寸、柱形的流损失的函数，它随流道的形状、尺寸、柱形的性质、流速等不同而变化。一般为性质、流速等不同而变化。一般为0.30.8。具。具体可根据表体可根据表3-2-9可查。可查。第103页，共126页。第104页，共126页
49、。第105页，共126页。第106页，共126页。第107页，共126页。四）、浇注系统各组元的截面比四）、浇注系统各组元的截面比 浇注系统各组元的截面积一般都根据经验数据确定，经浇注系统各组元的截面积一般都根据经验数据确定，经验不足时可以先按类比的方法选用，再通过实际浇注验证后验不足时可以先按类比的方法选用，再通过实际浇注验证后确定。确定。下面是推荐的一些下面是推荐的一些F直直:F横横:F内内的比例值：的比例值：灰口铸铁：灰口铸铁：1:0.75:0.5 球球 铁：铁：1:0.90:0.8 铸铸 钢：钢：1:2.00:1.5、1:3:3、1:2:2 铝合金：铝合金：1:6:6、1:2:4 铜合
50、金：铜合金：1:2:2、1:4:4镁合金：镁合金：1:2:2、1:4:4 第108页，共126页。第109页，共126页。3-2-9 各种合金浇注系统的特点各种合金浇注系统的特点一、一、铸钢件的浇注系统铸钢件的浇注系统铸钢的特点：熔点高，易氧化，流动性差，在凝固铸钢的特点：熔点高，易氧化，流动性差，在凝固中收缩大，易产生如缩孔、缩松、热裂和变形及缺陷。中收缩大，易产生如缩孔、缩松、热裂和变形及缺陷。设计要点：设计要点：、遵循方向性（顺序）凝固原则，遵循方向性（顺序）凝固原则，浇口多设在冒口下，配给使用冷铁、收缩筋等；浇口多设在冒口下，配给使用冷铁、收缩筋等；、使用柱塞包浇注时，直浇道设计成不充
