材料成形工艺第二章 液态金属成形过程及控制

1.液态金属在浇口杯中的流动情况
浇口杯的作用是：承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和 溢出，便于浇注；减轻液流对型腔的冲击；分离熔渣和气泡， 并阻止其进入型腔；增加充型压力头。浇口杯按结构形状可分 为漏斗形和盆形两大类。漏斗形浇口杯结构简单，挡渣作用差， 由于金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣， 因此这种浇口杯仅适用于对挡渣要求不高的砂型铸造及金属型 铸造的小型铸件。盆形浇口杯效果较好，底部设置凸缘有利于 浇注操作，使金属液的浇注速度达到适宜的大小后再流入直浇 道。这样浇口杯内液体深度大，可阻止垂直轴旋转的水平旋涡 的形成，从而有利于分离熔渣和气泡，如图2-2所示。
(1)横浇道的稳流作用
液流从直浇道落下时，速度大，不平稳，而经过浇口窝进入横 浇道后，液流转向并趋于平稳。横浇道是直浇道与内浇道之间 的中间浇道，液体金属在横浇道中的流动情况与这三个浇道的 断面积之比有较密切的关系。当直浇道断面积大于横浇道断面 积，而横浇道断面积又大于内浇道断面积，即收缩式浇注系统 时，从直浇道下落的液流可立即把横浇道充满；相反，对于扩 张式或半扩张式浇注系统，横浇道并不立即被充满，而是随着 型腔中合金液面的升高而逐渐地被充满。
材料成形工艺
第二章 液态金属成形过程及控制
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
液态金属充型过程的水力学特性及流动情况 浇注系统的设计 液态金属凝固收缩过程的工艺分析 冒口设计 冷铁设计
第一节 液态金属充型过程的水力学特性及流动情况
一、液态金属充型流动过程的水力学特性 二、液态金属在浇注系统中的流动情况 三、金属熔体Biblioteka Baidu滤器及浇注系统
(3)横浇道的挡渣作用
图2-6 横浇道挡渣原理图
a)
b)
(3)横浇道的挡渣作用
在横浇道中，渣的上浮速度和横浇道挡渣作用的主要因素有： 1）杂质与合金液的密度差越大，熔渣越易上浮除去。 2)渣团半径R越大，熔渣上浮速度越大，越易除去。 3)合金液在横浇道中的流动速度v横越大，液流在横浇道中的湍 流程度越大，杂质上浮所遇到的干扰越大。当v横达到一定程 度时，杂质就浮不上来而始终悬浮在液流中，此时的v横临界 速度称为悬浮速度。 4)合金液的粘度越大，则渣团上浮越慢，越难除去夹杂。
二、液态金属在浇注系统中的流动情况
1.液态金属在浇口杯中的流动情况 2.液态金属在直浇道中的流动情况 3.液态金属在横浇道中的流动情况 4.液态金属在内浇道中的流动情况
二、液态金属在浇注系统中的流动情况
图2-1 铸铁件浇注系统的典型结构 1—浇口杯 2—直浇道 3—直浇道窝 4—横浇道 5—末端延长段 6—内浇道
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
图2-4 有拔塞、浮塞或铁隔片的浇口杯 a)拔塞式 b)浮塞式 c)铁隔片式
2.液态金属在直浇道中的流动情况
图2-5 砂型中合金液流的充满条件 a)合金液流内任一截面上各点的压力p b)合金液流内任一截面上各点的压力p
3.液态金属在横浇道中的流动情况
(1)横浇道的稳流作用 液流从直浇道落下时，速度大，不平稳， 而经过浇口窝进入横浇道后，液流转向并趋于平稳。 (2)横浇道的流量分配作用 液流充满横浇道的同时，即由横浇 道分配给各个内浇道。 (3)横浇道的挡渣作用 横浇道是浇注系统的主要挡渣单元，其 挡渣作用与熔渣特性、横浇道本身结构、各浇道的相互配置关 系有关。 (4)横浇道的结构形状 横浇道的断面形状，可有圆形、半圆形、 梯形等多种形式。
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
图2-3 浇口杯内液面深度和浇注高度的影响 a)合理 b)、c)不合理
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
为了减轻和消除水平旋涡，对于重要的中、大型铸件，常用 带浇口塞的浇口杯。先用浇口塞堵住浇口杯的流出口，然后进 行浇注，当浇口杯被充填到一定高度且熔渣已浮起时，再拔起 浇口塞，使合金液开始流入直浇道。浇口塞可用耐火材料或铸 铁材料制成，其结构应能保证拔起浇口塞时不产生涡流。有时 也用一金属薄片盖住浇口杯的流出口，当浇口杯被充填到一定 的高度时，金属薄片受热熔化，浇口杯的流出口就被打开，如 图2-4所示。
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
图2-2 盆形浇口杯
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
浇口杯内出现水平旋涡会带入熔渣和气体，因而应注意防 止。当金属液从各个方向流入直浇道时，各向流量不均衡，某 一流股的流向偏离直浇道中心，就会形成水平涡流。根据水力 学原理，水平涡流越靠近中心部位压力越低，液面越低，这样 浮在液面上的熔渣会沿着弯曲的液面，一边旋转，一边和空气 一同进入直浇道，就有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。
水力模拟试验表明，影响浇口杯内水平旋涡的主要因素是 浇口杯内液面的深度，其次是浇注高度、浇注方向及浇口杯的 结构等。浇口杯内液面深度和浇注高度的影响如图2-3所示。液 面深度大时不易出现水平旋涡(见图2-3a)，液面浅时易出现水平 旋涡(见图2-3b)。浇包嘴距浇口杯越高，水平旋涡越易于产生 (见图2-3c)。总之，液面浅和浇注高度大时，偏离直浇道中心的 水平流速较高，因而易出现水平旋涡。
(2)横浇道的流量分配作用
液流充满横浇道的同时，即由横浇道分配给各个内浇道。同一 横浇道上有多个等断面的内浇道时，各内浇道的流量不等。在 一般条件下，远离直浇道的流量大，接近直浇道的流量小。各 内浇道的流量主要取决于合金液柱的高度、横浇道的长度、内 浇道在横浇道上的位置以及各浇道断面积之比。当合金液柱高、 横浇道不十分长时，从直浇道流入横浇道的合金液大部分流入 距直浇道较远的内浇道。如果直浇道高度不大、横浇道很长， 则大部分液流将流入处于中间位置或靠近直浇道的内浇道。这 种流量不均匀现象同横浇道与内浇道断面积之比有关。一般情 况下，浇道截面扩张程度越大，则流量不均匀现象越明显。
一、液态金属充型流动过程的水力学特性
(1)粘性流体流动 液态金属是有粘性的流体，其粘度的大小与 它的成分有关，在流动过程中又随温度的降低而增大。 (2)不稳定流动 在充型过程中液态金属温度不断降低，而铸型 温度不断增高，两者之间的热交换呈不稳定状态。 (3)多孔管中流动 由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的 浇注系统和型腔看做是多孔的管道和容器。 (4)湍流流动 生产实践中的测试和计算证明，液态金属在浇注 系统中流动时，其雷诺数Re大于临界雷诺数Re临，属于湍流流 动。