铸铁件收缩模数法冒口设计

灰铸铁件: P c =
1 e( 0. 5Mc+ 0. 01 qm )
( 4)
Fc =
0. 06
e( 0. 2M + 0. 01q )
c
m
( 5)
球 铁 件: Pc =
1
e( 0. 65M + 0. 01q )
c
m
( 6)
Fc =
0. 08
e( 0. 5M + 0. 01q )
c
m
( 7)
2 收缩模数法补缩设计原理
体补缩通道的定义, 每一补缩对象都需要一个冒口补 缩, 冒口个数就等于补缩对象个数。
均衡段和补缩通道共同决定冒口的个数。
2 3 冒口体大小的确定 冒口作为补缩液量的提供者, 既有补缩通道的要
求, 又有补缩液源和补缩压力的要求, 从模数的角度
可以表示如下:
Mr =
Ms+
V A
f r
+
V A
p r
=
f1
7
铸造技术 4/ 1998
2 1 冒口位置的确定 对于组成铸件的各个结构分体, 如果其分体的模
数等于 M s, 则称该分体为铸件的均衡段。 如果均衡段和补缩对象的热节分体相接, 或者均
衡段和补缩对象的热节分体通过其它结构分体连接, 而这些结构分体的模数均不小于 M s, 那么, 补缩液源 通过均衡段作为通道对补缩对象在补缩上的作用是
Tab. 1 T ypical geomet ry body boun dary consult
参数
VC MC qv qm
球体
a a3/ 6 a/ 6 113 0. 78
立方体 等边圆柱体 方杆
平板
aaa a3 a/ 6 216
1. 49
aa a3/ 4
a/ 6 170 1. 17
a a 10a a 10a 10a
因此, 把生产条件下允许的波动, 视为在合理的
范围内, 用统计的方法研究铸铁件结构对收缩时间分
数、补缩率影响的变化规律, 用以指导补缩工艺设计,
使其工程实用化。
为了描述铸件的结构特征, 引入模数和周界商的
概念:
1 1 定义: 铸件的体积 V c 与其散热表面 积 A c 之 比, 称为铸件的模数 M c, 可由铸件结构尺寸计算:
Vc Mc = Ac
( 1)
1 2 定义: 铸件的体积 V c 与其模数 M c 立方之比, 称为铸件的体积周界商 qv ; 铸件的质量 G c 与其模数 M c 立方之比, 称为铸件的质量周界商 q m;
qv =
Vc M3
( 2)
qm =
Gc M3
( 3)
周界商是描述铸件结构密实程度概念的, 它反映
灰铸铁和球墨铸铁件( 简称铸铁件) 应该以浇注 系统后补缩和石墨化膨胀自补缩为基础, 只是由于铸 件结构、合金成分、冷却条件等原因, 不能建立起足 够的后补缩和自补缩的情况下才应用冒口。一个需 要设置冒口补缩的铸件, 也必须充分利用后补缩和自 补缩, 冒口只是补充后补和自补不足的差额, 为此, 铸 铁件的冒口凝固不必晚于铸件, 冒口补缩液量只是占 铸铁合金总收缩量的一部分[ 1] 。
均衡段是用模数方式描述的铸件均衡点, 均衡段 可以是铸件的某分体, 也可以是在铸件上人为构造的
分体。
2 2 冒口个数的确定 按补缩液源 补缩通道 补缩对象模型的顺
序, 铸件由一组厚大热节分体和附 属的中间分体构 成。如果铸件存在一个均衡段, 并且该均衡段满足铸 件所有热节分体补缩通道的定义, 那么, 通过该均衡 段可以实现对铸件所有热节分体的补缩, 铸件整体就 是一个补缩对象, 可以实现单个冒口补缩; 否则, 铸件 可划分成数个补缩对象, 对每一个补缩对象, 存在一 个均衡段, 并且该均衡段满足补缩对象内各个热节分
图 1 铸铁件补缩模型示意图 F ig. 1 Sketch map of feeding model in iron castings
O 补缩液源; A 补缩通道, 补缩液量传输流动所经过的铸 件分体集合;
6
B、C、D 补缩对象, 补缩液源的可作用区域, 铸件分体的集合; B 表示补缩对象中最厚大的结构分 体, 通常称为热节分体; B、D、C 是补缩对象中的非热 节分体, 称为中间分体; A 分体既是补缩通道, 又是补 缩对象的一部分。
( 2) 补缩液源应具有足够的补缩液量, 以保障补 缩对象的收缩需求。
( 3) 补缩液源应具有克服补缩流动传输沿程阻 力的补缩压力。使补缩液体定向流到需要补缩处, 保 证铸件在凝固过程中一直处于正压状态, 即冒口停止 补缩时冒口中还有一定的残余铁液压头。
( 4) 补缩液源的设置, 导致在连接区域形成接触 热节, 但不要因为设置冒口而延长铸件的凝固时间和 收缩时间, 应以不延长补缩对象的凝固时间为原则, 为此冒口不要开设在铸件的几何热节上。
补缩持续作用时间, 取决于被缩对象在铸型、合 金、浇注等生产条件下的均衡点到达时间; 补缩液量 取决于补缩对象在到达均衡点过程中自补缩不足的 体积差额。因此, 铸铁件均衡凝固有限补缩冒口设计 在冒口位置、大小、补缩时间等方 面都与铸钢件顺 序凝固有着显著的不同。
从冒口补缩的角度出发, 可以将其简化为补缩液 源 补缩通道 补缩对象的研究模型, 如图 1 所示。
缩不足的体积差额, 补缩量与铸件体积之比, 称为铸
件的补缩率, 即补缩对象需要的补 缩量与其体积之
比, 为补缩对象的补缩率。 合金成分、浇注温度、铸型硬度等生产实际, 允许
在一定范围内波动。对于补缩设计, 要根据铸件结构
的具体条件, 从工艺角度提供可靠的补缩, 使补缩工
艺具有最大限度的适应性、稳定性。
铸造技术 4/ 1998
铸铁件收缩模数法冒口设计
铸铁件收缩模数法冒口设计
西安理工大学(Hale Waihona Puke Baidu陕西省西安市 710048) 张卫华 魏 兵 袁 森
摘 要 根据均衡凝固有限补缩原理, 利用铸 铁件的收缩 时间分数 和补缩 率的定 量计算, 提出 铸铁件 收缩模 数法 冒口设计。实现了冒口位置、大小 、个数的定量设计与计算。 关键词: 均衡凝固 收缩 模数法 冒口设计 铸铁件
铸件结构中厚壁与薄壁的搭配。在模数相同时, 周界
商小的, 体积也小, 单位时间内凝固的体积就少, 表示
铸件厚实, 薄壁部分不丰富; 相反, 在模数相同时, 周 界商大的, 体积也大, 单位时间内凝固的体积多, 表示 铸件薄壁部分丰富。
典型几何形体的周界商, 如表 1 所示。
表 1 典型几何形体的周界商( = 0. 0069 kg/ cm3)
定义: 铸铁件收缩时间对应的模数, 称为铸铁件
的收缩模数 M S , 有:
Ms = Pc M c= f 2 Mc
( 8)
式中 f 2 收缩模数系数, f 2 = P c
收缩模数 M s 是用铸件自补缩均衡点到达时间的模
数表示, 从补缩通道的意义上讲, 只有沿补缩通道各
单元的模数不小于收缩模数 M s, 补缩才是可靠的。
合金的收缩时间、收缩率不同, 铸铁合金的收缩时间、 收缩率是在一定的工艺条件下, 用规定的试样( 一种
特定的铸件) 测定的收缩、补缩特性参数。铸铁件的
补缩持续作用时间与补缩液量与浇注条件、浇冒口设
置位置、铸型冷却特性、铸型硬度等工艺条件及铸件
本身的结构有关, 具有动态特性。
这种动态特性, 按照补缩液源 补缩通道 补
对于单个冒口补缩的情况, 补缩对象本身就是铸 件; 对于多个冒口补缩的情况, 每个冒口所覆盖的补 缩范围内 的铸件分体的集合, 就 是该冒口的补 缩对 象, 即一部分铸件。
铸铁件的补缩应满足以下条件: ( 1) 补缩通道的凝固截断时间要晚于补缩对象 凝固到达 均衡点的时间, 保证补 缩液量能够流 动传 输。
Riser Design by Shrinkage Moudle Calculation Method for Iron Castings
Zhang Weihua Wei Bing Y uan Sen ( Xian U niv ersity of T echnology)
Abstract According t o t he non directional solidification limited feeding t heory, Using shrinkage t ime and f eeding rate in quant itative calculat ion of cast iron castings. T he riser design method by shrinkage module calculat ion is put forward. the posit ion, shape and number of risers of iron cast ings can be determined. Key words: Non direct ional solidif icat ion Shrinking moudle calculation met hod Riser desig n Cast iron cast ing
效应也趋于稳定。所以, 冒口颈模数 M n 与铸件收缩
模数 M s 的关系可以用下式表示:
M n= f 4 Ms = f 4 f 2 M c
( 10)
式中 f 4 冒口颈模数系数。
3 收缩模数法冒口设计方法
( 1) 根据铸件的结构尺寸, 计算铸件模数 M c、铸
件质量周界商 qm。
( 2) 根据铸件的材质, 计算 P c、Fc。
具有相同的模数 的两个铸件, 体积大的 周界商 大, 体积小的周界商小。铸件模数相同, 就意味着凝 固时间相同; 而周界商不同, 则单位时间内凝固体积 不同, 这就改变了铸件胀缩动态叠加自补缩的条件。
模数和周界商一起, 既反映了铸件厚壁、薄壁搭 配, 也反映了铸件的 自补缩能力。根据生产统 计研 究, 对于砂型铸造, 铸铁的收缩时间分 数 P c 、补缩率 F c 与铸件模数、质量周界商可以用以下数学模型来 描述:
f3
Ms
式中 M r Ar Vf Vp
= f 1 f 2 f 3 Mc
( 9)
冒口模数, cm ;
冒口散热表面积, cm2;
补缩液量, cm3;
形成补缩压力的安全液量, cm3;
f 1 补缩液量平衡系数;
f 3 补缩压力系数。
2 4 冒口颈大小的确定 冒口颈作为连接补缩液源 铸件的过渡通道,
8
铸铁件收缩模数法冒口设计
10 a3
100 a3
a/ 4
a/2
640
800
4. 42
5. 52
直径为 a 的球体与其外切的等边圆柱体、立方体 具有相同的模数, 不同的体积, 球体的周界商小, 立方 体周界商大, 表明在同样模数下, 球体与等边圆柱体、 立方体相比, 密实度 高。10 个边长为 a 的立 方体线 性组合成为方杆, 100 个平面组合成为方板, 虽然基 本单元相同, 但不同的组合其周界商是不同的, 立方 体与杆、板相比, 密实度高。
缩对象的补缩模型, 可以用收缩时间分数 P c、补缩率 F c 概念来描述。
( 1) 收缩时间分数 P c: 补缩对象在凝固过程中膨 胀 收缩动态叠加净结果为 0 的时间, 为补缩对象 的均衡点时间, 即表观收缩时间。定义补缩对象表观
收缩时间与补缩对象总凝固时间的比值为其收缩时
间分数。
( 2) 补缩率 Fc: 铸件从浇注系统、冒口抽吸的补 缩液量, 称为铸件的补缩量, 其物理意义是铸件自补
可靠的, 在到达均衡点之后的截断也是及时的。 从接触热节的角度出发, 作为补缩液源的冒口设
置于均衡段, 不可避免地会出现接触热节, 虽然延长 了均衡段在冒口区域的凝固时间, 但不会延长热节分 体的凝固时间, 不会延长铸件的总体凝固时间, 恰好 利用了接触热节效应。因此, 冒口的位置推荐为: 冒口 放在补缩对象的均衡段上。
均衡凝固的补缩设计思想是: 补缩液源能够提供 补缩对象任何一时刻自补缩不足的液量差额和补缩
流动的传输压力; 补缩通道要在补缩对象到达均衡点 之后随即凝固截断通道。
铸造技术 4/ 1998
铸铁件收缩模数法冒口设计
1 铸铁件收缩时间和补缩率动态特性的数学描述
铸铁件的补缩持续作用时间与补缩液量, 与铸铁
除具有补缩通道的作用外, 与通常意义的补缩通道不
同的是, 由于强烈的补缩流通效应、冒口颈区域的尖
角砂效应, 都使冒口颈的实际凝固时间远远大于根据
模数的理论计算出的数值; 由于补缩液流通, 冒口颈
中的金属液随时被冒口体中的更高温金属液更新, 只
要这种流动存在, 冒口颈就不会凝固截断; 由于尖角
砂是由冒口颈结构形成, 当冒口颈结构一定, 尖角砂