第四章【重要的】 浇注系统设计

第四章浇注系统设计

浇注系统(gatingsystem，running-system)是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称。铸铁件浇注系统的典型结构如图3—4—1所示，它由浇口杯(外浇口)、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等部分组成。广义地说，浇包和浇注设备也可认为是浇注系统的组成部分，浇注设备的结构、尺寸、位置高低等，对浇注系统的设计和计算有一定影响；此外，出气孔也可看成是浇注系统的组成部分。

浇注系统设计得正确与否对铸件品质影响很大，铸件废品中约有30％是因浇注系统不当引起的。

对浇注系统的基本要求是：

1)所确定的内浇道的位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则或补缩方法。

2)在规定的浇注时间内充满型控。

3)提供必要的充型压力头，保证铸件轮廓、棱角清晰。

4)使金属液流动乎稳，避免严重紊流。防止卷入、吸收气体和使金属过度氧化。

5)具有良好的阻渣能力。

6)金属液进入型腔时线速度不可过高，避免飞溅、冲刷型壁或砂芯。

7)保证型内金属液面有足够的上升速度，以免形成夹砂结疤、皱皮、冷隔等缺陷。

8)不破坏冷铁和芯撑的作用。

9)浇注系统的金属消耗小，并容易清理。

10)减小砂型体积，造型简单，模样制造容易。

此外，对于薄小铸件常可用浇注系统当冒口，对铸铁有一定补缩作用；对于大量流水线生产的球墨铸铁件，在浇注系统结构中增加反应室，可实现型内球化或型内孕育处理，其浇注系统分别示于图3—4—2、固3—4—3。

第一节液态金属在浇注系统基本组元中的流动

一、在砂型中流动的水力学特点在正常浇注温度下，液态合金的运动粘度比室温下水的运动

粘度低。如20℃的水，其ν

水值为而液态铸铁的ν铁为0.55x10

，液态铝合金的ν铝为0．6×10

。因此，液态合金的充型过程可视为具有一定粘度的液体运动，应用流体力学规律加以研究。但是，液态合金在砂型中的流动和水、油等一般粘性流体在金属管、塑料管或玻璃管中的流动不完全相同，而有其特点，这些特点是：

(1)型壁的多孔性、透气性和合金液的不相润湿性，给合金液的运动以特殊边界条件当合金液流内任一截面上各点的压力P均大于型壁处的气体压力P a时，则呈充满态流动，当P等于P a 时呈非充满态流动(见图3—4—4)。

(2)在充型过程中，合金液和铸型之间有着激烈的热作用、机械作用和化学作用炽热的合金液流经浇注系统时，总会伴随着物理、化学过程。如合金液冲刷和侵蚀型壁，相互热交换，合金液粘度增大和体积收缩，甚至伴有结晶现象，吸收气体、使金属氧化、造成大量氧化夹杂物等。这些过程在一般水力学过程中是不常见的。

(3)浇注过程是不稳定流过程在型内合金液淹没了内浇道之后，随着合金液面上升，

充型的有效压力头逐渐变小；型腔内气体的压力并非恒定；浇注操作不可能保持浇口杯内液面的绝对稳定。因此，充型过程是不稳定流过程。

(4)合金液在浇注系统中一般呈紊流状态依经验确定，铸铁的最小浇注系统比流量(最小截面处单位面积的流量)为。已知铸铁液的密度约为7g／c㎡：，由此可得出铸铁液的平均流速为。实践中最小的内浇道截

面积为。假设浇注系统由截面积为0.4cm’的圆形管道所组成，其直径为o．71cm，则能计算出浇注系统中铸铁液的最低雷诺数为：

计算表明，即使用最小比流量浇注，在最细的浇注系统中金属液的雷诺数Re也大大超过2320，加之浇注系统拐弯多，断面有变化，液流扰动源多，因此，合金液在铸型的浇注系统中呈紊流状态。

(5)多相流动一般合金液总含有某些少量固相杂质还可能析出晶粒及气体，故充型时合金液属于多相流动。

二、浇口杯中的流动液相夹杂和气泡，在充型过程中

浇口杯可用来承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅相溢出，便刁：浇注；减轻液流对型腔的冲击；分离渣滓和气泡，阻止具进入型股；增加无型压力头。只有路口杯的结构正确，配合正当的浇注操作，才能实现上述功能。

浇口杯分漏斗形(bush)和盆形(basin)两大类。漏斗形浇口杯挡渣效果差，但结构简单，消耗金属少。盆形浇口杯效果较好(图3—4—5)，底部设置堤坝有利于浇注操作，使金属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，可阻止水平旋涡的产生而形成垂直旋涡，从而有助于分离渣滓和气泡。

浇口杯中出现水平旋涡会带入渣滓和气体，因而应注意防止。当合金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旋涡，如图3—4—6所示。如忽略金属粘度的影响，视液态金属为理想流体，浇口杯内旋转的液态金属应满足动量矩守街原理，于是有

Mvr＝常量(3—4—1)

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点距直浇道中心的距离。

由上式可知，一旦出现水平旋涡，距直浇道中心愈近，金属质点的切线速度愈高，这

样使M质点的离心加速度也愈高。重力加速度和离心加速度的合成加速度(j)的方向，越靠直绕道中心时，了的方向越接近于水平。液体的等压面和总加速度方向相垂直，因而，向直浇道中心靠近，等压面由水平逐步过渡为垂直，因此形成漏斗形中空的大气压力表面。这样一突，浮在溜口杯液面上的非金属灾涪物全沿着弯曲的液面，一面旋转，一面和空气一同进入直浇道。

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3—4—7所示，液面浅极易出现水平旋涡。液面深度超过直浇道上口直径的5倍时可基本消除水平旋涡；浇包嘴距浇口杯越高，水平旋涡越易于产生，这与偏离直浇道中心的水平流速较高有关。浇注方向的影响见图3—4—8。逆向浇注较顺向浇注为伎，侧向浇注介乎两者之间。