铸造浇注系统设计

则：v2>v1, 可使P2<P1， 流体呈正压流动；
3、蛇形直浇道则使h1-2, 增 大，保 证 P2<P1 。 蛇形 直浇道时利用增加水力 损失改变直浇道压力分 布的一例，多用于有色 金属铸件和直浇道直接 接于型腔时。 4、直浇道尽量设在横、 内浇道的对称中心处， 以使金属液流程最短， 流量分布均匀。
原因：水平各向流量不均 衡造成流速方向的偏斜。
若忽略金属粘度的影响，视液态金属为理想流体， 浇口杯内液态金属应满足动量矩守衡：
Mvr=常量
式中：M 距离直浇道中心为r处的质点的质量 v M点的切线速度 r M点距离直浇道中心的距离。
漏斗形等压自由液面的形成：一旦出现水平旋涡， 越靠近中心，M质点的离心加速度越高，重力加速 度和离心加速度的合成加速度越接近于水平，根据 流体力学原理，等压面垂直于总加速度方向。等压 面逐步由水平过度到垂直，形成中空的大气压力表 面。 对铸件质量的影响：卷气、渣沿等压面进入型腔。
图 底坎和浇注方向对液流流向的影响
a) 纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧向浇注
图 底坎和浇注方向对液流流向的影响 a) 纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧向浇注
• 纵向顺浇方便浇注工作，不易产生垂直涡流，轻 质点夹杂物进入直浇道的可能性大；
• 纵向逆浇易形成垂直涡流，有助于夹杂物上浮。
• 侧向浇注形成垂直涡流的可能介于上述两者之间 ，液流从一侧流向直浇道，易形成水平涡流。
二、浇口杯中的流动
浇口杯分类：漏斗形浇口杯、池盆形浇口杯
漏斗形浇口杯
特点：结构简单，制作方便，容积小，消耗金属液少； 只能用来接纳和缓冲浇注的金属流股，挡渣能力小； 应用：主要用在小型铸铁件及铸钢件，广泛用于机器造 型。 结构：漏斗口的直径应该比直浇道大一倍以上。可用带 滤网的漏斗形浇口杯。
池盆形浇口杯
生产中减轻水平旋涡的措施 a 用大深度浇口杯 b 浇口杯底部安放筛网等
c 在浇口杯底部设置堤坝，形成垂直旋涡。
垂直旋涡的挡渣作用： 金属液沿斜壁流下， 由于流速的减低和流 向的改变，形成垂直 方向的旋流。
a)合理
b)不合理
• 在池形浇口杯中增设隔板和在浇口杯出口处又有 底坎，就能把浇包落入浇口杯中流股的紊乱搅拌 作用限制在浇注区范围内，且能急剧改变流股方 向，形成使轻质点杂质上浮的流向。
直浇道窝的作用
② 改善内浇道的流量分布：例如在S直：S横： 2S内= 1 ： 2.5 ： 5的实验条件下，无直浇道窝时，两相等 截面的内浇道的流量分配为：31.5%（近直浇道者） 和68.5%（远者）；有直浇道窝时的流量分配为： 40.5%（近直浇道者）和59.5%（远者）。
直浇道窝的作用
③ 减小直-横浇道拐弯处的局部阻力系数和水力 压头损失。 ④ 缩短直-横浇道拐弯处的湍流区。
特点：挡渣作用明显，但是制作程序复杂，消耗 的金属较多 应用：主要用于中大型铸铁件。 结构：浇口盆 的深度应该大 于直浇道上端 直径的5倍。
浇口杯中应避免出现水平涡流
液态金属在平底的浇口杯中 流动 时易出现水平涡流。 流量分布不均匀造成流速方 向偏 斜。水平分速度对直浇 道中心线 偏斜，形成水平涡 流运动。在涡 流中心区形成 一个漏斗形充满空 气的等压 自由液面的空穴。容易 将空 气和渣子带入直浇道。
d 用拔塞等方法，使浇口杯内液面达到一定深度时
再向直浇道注入
• 即使带隔板和底坎（或凹坑）的浇口杯，也不能 完全阻挡浇注开始时液流带入的气体和夹杂物， 故浇注重要铸件时，常在浇注前用各种方法将直 浇道堵住，等浇口杯充满后再打开，并一直保持 浇口杯的液面高度。
浇口杯的结构设计
1) 浇口杯中金属液面的高度：H≥5d 直上 ，而且浇口 杯与直浇道要采用圆角连接, r>0.25d直上；
防止液流带入气体和冲砂，设计直浇道时应注意 以下几点： 1）、入口处的连接 (与浇口
杯连接处)
采用圆角，一般要求入 口处圆角半径r≥d／4(d为 直浇道上口直径)。 这样可以减少气体的卷 入和避免尖角型砂被冲掉引 起冲砂缺陷。
2）．直浇道的形状
• 直浇道的形状—上大下小的锥形即设计锥度
上大下小的锥形， 有利于在直浇道中呈正 压流动，能防止吸气或 非充满状态而带气。
1、横浇道中的液流分配
• 金属液从直浇道进入横浇道初期，以较大速度沿 长度方向向前运动，等到达横浇道末端冲击该处 型壁后，金属液的动能转变为势能，横浇道末端 附近液面升高，形成金属浪，并开始返回移动， 使横浇道内液面向直浇道方面逐渐升高，直到全 部充满。
2.横浇道的挡渣作用
1）夹渣的上浮速度
式中：r-渣粒半径，cm；η-金属液粘度，0.024dyne.s/cm2； ρ液，ρ渣-金属液和夹渣的密度，g/cm3。
四、横浇道中的流动
横浇道：将金属液从直浇道导入内浇道的水平孔道
1、横浇道的作用 连接直浇道与内浇道 平稳而均匀的向内浇道分配洁净金属 储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并档渣 使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物。 主要作用是捕集、保留由浇道流入的夹杂物，所以又称“捕渣 器”，是浇注系统最后一道挡渣关口。 要求横浇道平稳、缓慢地输送金属液，而低速流动又可减少充 填时对型腔时的冲击，利于渣粒在横浇道中上浮并滞留在其顶 部而不进入型腔。
浇注系统的组成
浇注系统设计原则

使液态合金平稳充满铸型，不冲击型壁和型芯， 不产生涡流和喷溅，不卷入气体，并利于型腔内 的空气和其他气体排出型外，防止金属液过度氧 化及产生砂眼、冷豆、气孔。
阻挡夹杂物进入型腔，以免在铸件上形成渣孔。 调节铸型及铸件各部分温差，控制铸件的凝固顺序，
不阻碍铸件的收缩，减少铸件的变形和开裂倾向。
第七章
浇注系统设计
本章主要讲授浇注系统类型的选择，浇注最小截 面尺寸的计算，其它铸造合金浇注系统的特点。要 求掌握浇注系统的选择原则。 重点为浇注系统的选择原则和确定浇注位置，难 点为浇注系统选择原则的灵活应用。
概 述
浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道之总称 组成：浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道、内浇道 正确设计浇注系统使液态合金平稳合理的充满型 腔，对铸件品质影响很大，铸件废品中的30%是因浇注 系统不当引起。
直浇道的流动特点 （1）两种流态：充满和不充满。非充满状态易带气，但在 底注包浇注时或用阶梯浇注系统时采用。 （2）非充满直浇道中金属液以重力加速度做等加速运动， 流股必定向内收缩；流股内部与砂型表层气体之间无压力差， 气体不可能被吸入，而是被金属表面吸收和带走。 （3）直浇道入口形状影响金属流态。入口尖角时，增加流 动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈 充满流态，要求入口处圆角半径r>d/4。 （4）水利学模拟实验与砂型中实际流动状况有差异。 （5）砂型中直浇道充满的理论条件。
S内 S直
1 z i
(hi hz ) 2 H
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2）真空吸气理论
假设条件： ① 浇注系统是由不透气材料制成； ② 流体呈稳定流动，且为不可压缩流体； ③ 直浇道为等断面结构。 如图所示，选择直浇道的 出口2-2为分析的基准面，则 伯努利方程可写为：
其中，Z2=0，P2=Pa，整理得：
（1）液态金属在直浇道中的流动特点
直浇道入口处的形状影响液流分布：尖角连接时直 浇道内呈不充满流动；圆角连接时则为充满状态。
直浇道形状影响液流的内部压力：尖角连接时不充满， 而且流股呈渐缩形，直浇道上口有真空区存在。 有锥度的直浇道呈 充满状态，且呈正压 流动，从直浇道上的 小孔流水；而等断面 的直浇道虽然也呈充 满状态，但是却呈负 压流动，吸入气体；
2)采用纵向逆浇，设臵底坎、挡板和闸门等； 3) 采用特殊结构的浇口杯：拔塞式、浮塞式、铁隔 片式、闸门式等； 4）浇口杯与直浇道相连的边缘做成凸起状。
三、直浇道中的流动
直浇道的功用： 引导金属液进入横浇道、内绕道或直接导入型腔； 提供足够的压力头，使金属液克服各种流动阻力， 在规定时间内充满型腔。
影响水平旋涡的因素
浇口杯中金属流股的水平分速度越大，越容易形成水 平旋涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关：
a 浇口杯内液面的深度：液面深度超过直浇道上端直
径的5倍时可基本消除水平旋涡。
b 浇注高度：浇包嘴离浇口杯越高，越容易产生水平
旋涡。
• c 浇注方向：逆向浇注较顺向浇注为佳。纵向逆浇不 易形成水平涡流，而纵向顺浇易将夹渣带入型腔；带 底坎时，侧向浇注时金属液可能绕过底坎从另一侧进 入直浇道形成呈湍流状态
多相流动
一般合金液总含有某些少量固相杂质、液相夹杂和 气泡，在充型过程中还可能析出晶粒及气体，故充型时 合金液属于多相流动
二、浇口杯中的流动
浇口杯作用：
用来承受来自浇包的金属液流并引入直浇道， 防止过浇而溢出； 避免流股直冲直浇道，减少液流对铸型的冲击 有一定的挡渣作用； 当砂箱高度低、压头不够时，又可用以增加金 属液的静压头。
由于是稳定流动，根据连续流动定律，有： F1V1=F2V2， F1=F2，V1=V2 则
因为Z1远远大于h1-2，所以，（P2-P1）/γ>0，P2 > P1 ，P2 =Pa，Pa > P1 。 因此，真空吸气理论的分析可以得出结论：在直浇道中有真空 度存在，流体经过浇注系统时要吸入气体。
直浇道结构设计

合金液流不应冲刷冷铁和芯撑。防止冷铁的激冷效 果降低及表面熔化，避免芯撑过早软化和熔化，造 成铸件壁厚变化
浇注系统设计原则

浇注系统尽可能结构简单紧凑，占砂箱面积小，体 积小，有利于减少冒口体积，节约合金和型砂，提 高砂箱利用率，方便造型、清理和浇注系统模样的 制造 使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； 起一定的补缩作用，在内浇道凝固前补给部分液 态收缩