浇注系统的设计与计算

3.3 浇注系统最小断面尺寸的计算
①Osann（奥赞）公式
• 设单位时间内流经内浇道 金属液的体积为Qm3/s， 则
Q=F内v内 F内－内浇道断面积 m2； v内－内浇道口的平均流速 m/s，可由伯努里方程得 到；
•由伯努里方程可得
2 P外－p内 v外 v内 2 g H 0 h 2g
直浇道的结构设计
• 直浇道与横浇道的连接 要 增设直浇道窝的结构防止 冲砂和卷气，使金属液的 紊乱程度降低。窝座的直 径一般为横浇道宽的2倍左 右面，最好接近横浇道的 高度，直浇道与横浇道的 连接也应做成圆角。
直浇道窝
• 直浇道窝的作用：减小金属液的紊流和对 铸型的冲蚀作用，减小局部阻力和压头损 失，有利于渣、气与金属液分离并上浮。 • 湿型砂强度低，必要时可在直浇道底放一 干芯片（或耐火砖片）以承受金属液的冲 击。
•封闭－开放式浇注系统
• 控制流量的阻流断面位于直浇道下端，或在 横浇道中，或者在集渣包出口处等。 • 这类浇注系统在阻流之前是封闭的，可起挡 渣作用；其后开放，可使充型平稳。兼有开 放式和封闭式浇注系统的优点，一般用于小 型铸铁件和铝合金浇注，特别是在一箱多铸 小件时应用，这种浇注系统结构复杂，浇道 模样制造以及造型费事，多用于手工造型。
第七章
浇注系统设计
7.1 概述
浇注系统的功能
• 使液态合金平稳充满砂型； • 阻挡夹杂物进入型腔，以免形成渣孔； • 调节铸型与铸件各部分的温度分布以控制铸件的凝固 顺序； • 起一定的补缩作用，在内浇道凝固前补给部分液态收 缩； • 让液态合金以最短的距离，最合适的时间充满型腔， 有足够的压力头，并保证金属液面在型腔内有必要的 上升速度等，以确保铸件的质量； • 充型流股不要正对冷铁和芯撑； • 合理的浇注系统应能节约金属，有利于减少冒口的体 积。 • 结构简单紧凑，利于提高铸型面积的利用率，便于造 型和从铸件上清除。

浇注系统的设计与计算摘要:本文主要讲述了计算机在浇注系统中辅助应用,为铸造工艺设计的科学化、精确化,提供了良好的工具。

关键词:设计原则设计顺序设计方法及计算公式在铸造工艺设计过程中,有许多繁贞的数字计算和大量的查表选择工作,仅凭工艺设计人员的个人经验和手工操作,不但要发费很多时间,而且设计结果往往因人而异,很难保证铸件质量。

60年代以来,特别是进入80年代后,随着电子计算机技术的迅猛发展,计算机辅助设计技术在工业中得到愈来愈广泛的应用,也为铸造工艺设计的科学化、精确化提供了良好的工具,成为铸造技术开发和生产发展的重要内容之一。

浇注系统是在砂型中开设的引导金属液进入型腔和冒口的通道,是铸型充填系统中的一个组成部分,通常由四部分(组元)组成:外浇道(浇口杯、浇口盆)、直浇道、横浇道和内浇道。

如图(1)所示。

设计浇注系统主要是选择浇注系统的结构类型,确定引入位置,计算浇注系统各组元的截面尺寸。

成功的浇注工艺,取决于金属本身的特性、铸型的性质和把金属液引入型腔的浇注系统的结构。

设置浇注系统是铸造技术人员和工人用以控制金属液充型的主要手段。

因此,这是一项重要的技术工作。

1-浇口杯2-直浇道3-横浇道4-内浇道图(1)浇注系统结构示意图一、浇注系统的设计原则所谓浇注系统的设计原则就是确定这些浇注系统的形状、尺寸和浇注条件。

如果浇注系统设计不合理就有可能造成以下铸造缺陷,如气孔、砂眼、渣眼、缩孔、裂纹、浇不足和冷隔等缺陷,因此浇注系统时必须遵守以下原则:(1)液体金属的温度在流动中应不降低太多。

(2)应不卷入空气或铸型与液体金属的界面上发生反应所生成的气体。

(3)应不损坏铸型。

(4)应防止掉砂和熔渣流入型腔。

(5)应防止液体金属过度加热铸型。

(6)应有助于方向性凝固。

(7)应不降低工艺出口率(型腔体积对包括浇注系统在内的整铸型型腔体积之比)。

(8)凝固以后应该容易去除。

二、浇注系统设计顺序不同的铸造方法、工厂、技术人员可能采用不同的浇注系统设计方法。

Fmin
G 0.0443 H P
用上式计算浇注系统最小截面积时需仔细确定式中各因素的数值。
在计算的铸件确定以后，即已确定。铸件图上一般已标出了铸 件的重量（未标时根据铸件图可估算出铸件重量），再加上浇注系 统和冒口的重量即为G值。
影响µ值的因素很多，难于用数学计算方法确定，一般都按生产 经验和参考实验结果选定。对于航空铝、镁合金铸件所用的扩张式浇 注系统，其µ值可在0.3～0.7之间选取。实际铸造时可根据铸件合金种 类、浇注温度和铸件结构选择。
(1) 应在一定的浇注时间内，保证充满铸型 (2) 应能控制液体金属流入型腔的速度和方向 (3) 应能把混入金属液中的熔渣和气体挡在浇注系统里 (4) 应能控制铸件凝固时的温度分布
(5) 浇注系统结构应力求简单，简化造型，减少清理工作量和 液体金属的消耗。
（1）承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注；
H
p
P2 H 2C
用上式计算平均静压头有下列三种情况 (1) 采用底注式浇注系统时，因为P＝C(图中(a))，所以有： HP＝H－C/2 (2) 采用顶注式浇注系统时(图中(b))，因为P＝0，所以有： HP＝H (3) 采用中注式浇注系统时(图中(c))，HP可用上面的HM的计 算公式来计算。 HP＝H－C/8
内浇道流量不均匀现象对铸件质量有显著影响： ① 对大型复杂铸件和薄壁铸件易出现浇不足和冷隔缺陷
② 在流量大的内浇道附近会引起局部过热、破坏原来所 预计的铸件凝固次序，使铸件产生氧化、缩松、缩孔
和裂纹等缺陷。பைடு நூலகம்
为了克服内浇道流量不均匀带来的弊病，通常采用如下方法
（1）尽可能将内浇道设置在横浇道的对称位置； （2）将横浇道断面设计成顺着液流方向逐渐缩小形式； （3）采用不同断面内浇道，缩小远离直浇道的内浇道断两积； （4）设置浇口窝等。

消失模铸造浇注系统设计浇注系统和浇注是获得高质量铸件的重要工序,浇注系统很关键,要经过反复试验,浇注系统可以用泡沫塑料板材来制造,但浇注系统最好是发泡成型,如果可能与模型成为一体,只有这样才能减少飞边,因为薄而复杂的浇注系统在操作过程中很容易损坏,所以使浇注系统简化很重要;浇注系统和浇注操作的目的是减少浇注时产生紊流的倾向,减轻金属液的氧化,防止产生冷隔、皱皮等缺陷,应用成功的浇口设计有很多类型,如顶注、底注、雨淋式浇注,压边浇口、牛浇口等;金属液的充型速度必频与模型热解的速度相同,浇注速度慢或出现断流的现象,都会引起严重的塌箱,金属液量一定要充分,以保持一定的金属静压头防止金属液前沿与熔融模型之间的空隙处发生他乡;铁或铝和氧的亲和性、铁或铝的吸气性以及模型结构对控制浇注的成功至关重要;浇注时泡沫塑料模型要发生一些列的变化,包括熔融、解聚、热解、聚合物裂解等,模型的热解产物会引起很多铸造缺陷,如铝合金中的气孔、缩松,铸件中的碳缺陷,以及铸钢件中的增碳等;金属液充型过程中,模型在约75℃时开始软化,164℃时溶熔,316℃时开始解聚,在580℃时开始分解,设计浇注系统和浇注过程中,要防止气体、干砂、模型的热解残留物卷入金属液中,减少模型热解残留物取决于浇注系统的设计、浇注速度、模型的几何形状尤其是模型的表面和体积之比、涂料、砂箱的排气、真空的使用、模型的密度及种类等;浇注系统的主要作用是用金属液充填型腔,同时必须不对铸型和金属两者产生部可接受的损坏,浇注系统能够在型内建立温度梯度、提供补给金属,以促进健全的铸件,浇注过程中,浇注系统内的金属流不仅要支撑铸型,还要通过浇注系统排除模型的热解产物,在涂料和干砂的充填、紧实的过程中,浇注系统还可用以支撑和搬运,浇注系统还要有一定的强度,便于操作并使模型某些部位可能加固,防止变形;浇注出铸件后,必须去掉浇注系统;浇注系统应该与铸件部重要的部位相连并且面积应尽量减小,一般情况下,面积越小,可增加浇注系统装配模型数量;消失模铸造工艺中多使用较大的浇口杯防止浇注过程中出现断流,能够快速而稳定地浇注,保持液态金属的静压头,浇口杯多采用合粘结剂的型砂制造;生产铸件时常用过滤网,它有助于防止浇注时直浇道的损坏,金属液的静压头必须超过金属与模型界面的压力,否则就会发生反喷,金属液压头越高,通常导致铸件的质量越好,铝合金铸件中采用中空直浇道和其它组元,有助于铝液的充型;1、消失模铸造浇注位置的确定确定浇注位置应考虑以下原则①尽量立浇、斜浇,避免大平面向上浇注,以保证金属有一定上1速度;②浇注位置应使金属与模型热解速度相同,防止浇注速度慢或出现断流现象,而引起塌箱、对流缺陷;③模型在砂箱中的位置应有利于干砂充填,尽量避免水平面和水平向下的盲孔;重要加工面处在下面或侧面,顶面最好是非加工面;⑤浇注位置还应有利于多层铸件的排列,在涂料和干砂充填紧实怕过程方便支撑和搬运,使模型某些部位可能加固,防止变形;2、消失模铸造浇注方式的确定浇注系统按金属液引入型腔的位置分为顶注、侧注、底注或几种方式综合使用;所有这些方法都能够生产出合格的铸件,顶注时充型所需的时间最短,因此需要浇注速度最快,以防止塌箱;侧注充型速度最慢,而底注介于两者之间,因为铝合金浇注时模型分解的速度很慢,型腔保持充满可避免塌箱,因此多采用顶注,但是这样难以控制金属液流,容易卷入热解残留物; 顶注系统：顶注充型所需时间最短,浇注快有利于防止塌箱；温度降低少,有利于防止浇不足和冷隔缺陷；工艺出品率高,顺序凝固补缩效果好,可以消除我铸铁件碳缺陷,因难控制金属液流,容易使EPS热解残留物卷入,增碳倾向降低;由于铝合金浇注时模型分解速度慢,型腔保持充满,可避免塌箱,一般薄壁件多采用顶注;侧浇注系统：液体金属从模型中间引入,一般在铸件最大投影面积部位引入,可缩短内浇道的距离;生产铸件的采用顶注和侧注,铸件上表面出现碳缺陷的机率低;但卷入铸件内部碳缺陷常常出现;底浇注系统：从底部模型引入金属液,上升平稳,充型速度慢,铸件上表面容易出现碳缺陷,尤其厚大件更为严重;因此应将厚大平面置于垂直方向而非水平方向;底注工艺最有利于金属充型,金属液前沿的分解产物在界面空隙中排出的同时,又能够支撑干砂型壁;一般厚大件应采取底注方式;阶梯式浇注系统：分两层或多层引入金属时采用中空直浇道,大部分金属从最上层内浇道引入金属,多层内浇道作用减弱;阶梯浇道引入容易引起冷隔缺陷;一般在高大铸件时采用;上述浇注方式在一定条件下能生产出合格的铸件;浇道比例和引入位置,采用的浇注系统原则①引入液体金属流,应使充型过程连续不断供应金属不断流,液体金属必须支撑干砂型壁,采用封闭式浇注系统最为有利;即内浇道断面最小;如内浇道：直浇道=1：1. 2-1. 4;②浇注系统的形式与传统工艺不同,不考虑复杂结构形式如常用的离心式、阻流式、牛角式等,尽量减少浇注系统组成,常没有横浇道只有直浇道和内浇道以缩短金属流动的距离;形状简单,方形长方形为主;③直浇道与铸件间距离即内浇道长度应保证充型过程不因温度升高而使模型变形;金属压头,应超过金属EPS界面气体压力,以防呛火;呛火是液体金属从直浇道反喷出来,中空直浇道和底注有利于避免反喷,同样适用于铸铝件;对EPS/EPMkIA共聚树脂模型更为突出,高的直浇道压头高容易导致良好的铸件质量和浇注时的安全;生产铸件时,采用顶注和侧注,铸件表面出现碳缺陷,但是由于卷入模型残留物,铸件的内部常常出现碳缺陷;底注能够减少内部的碳缺陷,但是在铸件的上表面容易出现碳缺陷,尤其是在厚大铸件的上表面,目此多将厚大平面置于垂直的而不是水平的方向;厚度介于3. 2-6. 4mm的铸件一般不会出现什么问题,但是对于壁厚较大的铸件,需要更多的内浇道隐入、更低的模型密度、代用模型材料、采用不同的涂料配方、抽真空浇注或其它的调整,以减少碳缺陷;3、内浇道尺寸大小的设计计算首先确定内浇道最小断面尺寸,再按一定比例确定在直浇道和横浇道;计算方法有2种：经验法：以传统砂型工艺为参考查表或经验公式计算后,适当调整,一般增大15%-20%即可;理论计算方法：如水力学计算公式,以球铁包括灰铁为例G:流经内浇道的液态重量kg铸造重+浇注系统重u：流量系数,可参考传统工艺查表,一般可按阻力偏小来取;如Hp:压头高度,根据模型在砂箱中位置确定;t：关键是浇注时间的选择,快速浇注是EPC工艺最大特点;按下式决定t:k1中小件用公式k1是修正系数,有负压时； K1取<1-般为左右；T=k1计算结果是一个参考值,通过浇注试验调整,有确切把握后可和模型联在一起发泡成型是有利的;4、消失模铸造浇注工艺浇注铝合金铸件时由于模型分解速度不快,浇注速度与铸铁件生产相比要低一些,因此,需要较大的内浇道和直浇道,生产铝合金件时的冷隔和皱皮缺陷是由于铝合金液中卷入了模型的热解残留物以及当今束流相遇是铝液的热量不足以充分熔融这些残留物的综合结果所致;底注工艺最有利于金属液充型,金属液以受控最好的方式在直浇道中下降,然后在铸型型腔内有规律地上,金属液前沿使分解产物在金属液与模型的界面空隙中逸出的同时,又能够支撑干砂型壁;一个浇注系统上能够组装多层模型,在浇注结束前金属液的静压头降低和流动的速度减小的情况下,一定要使每个铸型都充满,模型之间不要靠得太近,否则会使型内气压升高,浇注铸铁和铸钢件时,模型的热解的过程中产生大量高温气体,如果这些气体聚集在相邻两个模型间的区域内,模型会受到损坏,使干砂流入型腔内,产生严重的缺陷;如果把这些高温气体从型内排出,则可以解决这些问题;浇注时也可采用抽真空,抽真空能够排出砂箱内的气体,提高铸件表面的光洁度,阻止干砂流态化,改善薄壁铸件的充型性能,抽真空还能够排出浇注时产生的其它产物,真空系统中收集过多的这类产物会发生批爆炸,所以要求真空系统至少能够承受住1MPa的峰值压力;浇注温度的确定：由于模型气化是吸热反应,需要消耗液体金属的热量,浇注温度应高一些,虽然负压下浇注,充型能力大为提高,但从顺利排除EPS固、液相产物也要求温度高一些,特别是球铁件为减少残碳、皱皮等缺陷,温度偏高些对质量有利;一般推荐EPC工艺浇温比砂型高30-50℃,对铸铁件而言,最后浇注的铸件应高于136 0℃表1推荐的浇注温度范围：表l采用消失模铸造工艺时合金浇注温度负压的范围和时间的确定负压的作用：1 紧实干砂,防止冲砂和崩散、型壁移动尤其球铁更为重要;2 加快排气速度和排气量,降低界面气压,加快金属前沿推进速度提高充型能力,有利于减少铸件表面缺陷;3 提高复印性,铸件轮廓更清晰;4 密封下浇注,改善环境;负压大小范围：1根据合金种类,选定负压范围,见表2;表2 负压范围铸件凝固,形成外壳足以保持铸件时即可停止抽气,一般5min左右根据壁厚定为加快凝固冷却速度也可延长负压作用时间;铸件较小负压可选低些,重量大或一箱多铸可选高一些,顶注可选高一些,壁厚或瞬时发气量大也可选略高一些;浇注过程中,负压会发生变化,开始浇注后负压降低,达到最低值后,又开始回升,最后恢复到初始值,浇注过程负压下降最低点不应低于铸铁件l00-200mmHg,生产上最好控制在200mmHg以上,不允许出现正压状态,可通过阀门调节负压,保持在最低限以上;为避免浇注时喷灯效应,不应采用名冒口,而且直浇道是砂箱表面上唯一敞开处,仔细设计浇注系统,要力争减少型内不同方向的金属液的对流,在金属液流的前沿,常有一些模型热解残留物,在两股金属液对流时在交界面处会卷入这些残留物,因此,铸件截面尺寸的突然变化的部位也有类似的问题,设计浇注系统时,一定要懂得在金属液前沿积累的热解残留物一定要力争排除或减少;浇注操作EPC工艺中浇注时多使用较大的浇口杯防止浇注过程中出现断流而使铸型崩散,达到快速稳定浇注并保持静压头;浇口杯多采用砂型制造,生产铸件还常采用过滤网;它有助于防止浇注道的损坏并起滤渣的作用;消失模铸件在模型后退允许情况下,一般应尽快浇注;采用自动浇注机有利于稳定浇注速度,并能够在浇注时快速调整;而手工浇注不便控制,废品率比自动浇注时的要高一些;几种新的自动浇注方法已得到生产应用;如才用加压方法从铸件底部充型；采用真空技术将金属液吸入铸件中,其前景很好;。