铸造工艺学-冒口设计

Mc : Mn : Mr 1: (11.03) :1.2
顶冒口， M r (1.2 1)MC
2 检验冒口提供足够的金属液够不够
(V V ) V V
c
r
e
r
式中 ε 金属从浇注完到凝固完毕的体收缩率，η 冒口的 补缩效率。η=（补缩体积/冒口体积）。
通常用上式来校核冒口的尺寸够不够。
ε、η对冒口体积的影响
的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。 12
2 冒口位置的选择原则
① 在热节的上方或侧旁；
② 尽量在铸件最高、最厚部位， 低处热结设补贴或冷铁；
③不应设在铸件最重要、受力 大的部位；
④ 不要选在铸造应力集中处， 应减轻对铸件的收缩阻碍，避免 裂纹；
⑤ 尽量用一个冒口同时补缩几 个热节或铸件；
⑥ 冒口布置在加工面上，可节 约铸件精整工时，外观好；
23
24
局部热节的补贴尺寸：采用A·Heuvers氏滚圆法。重要部 位的热节可用扩大滚圆法。
• 8.1.4选择冒口位置的原则 • • a 在热结的上方或侧旁 • b 尽量在铸件最高、最厚部位。低处热结设补贴或冷铁。 • c 不应设在铸件最重要、受力大的部位。 • d 不要选在铸造应力集中处，应减轻对铸件的收缩阻碍，
ε越大，所需的冒口体积 越大；
η越大，所需的冒口体积 越小。
冒口除了要求体积够大， 能够提供所需的金属液和后 凝固的要求外，还需要有冒 口到补缩处的通畅的补缩通 道。
模数法 计算举例
铸钢齿轮如图8-9,材料为ZG310-570,收缩率为5%. (1)轮缘冒口计算 把轮缘看作长方形断面的杆,当不采用
缩孔球的体积应该大于 Dr=d0+T求出冒口直径，冒口高
铸件和冒口本身体收缩的容 度Hr一般取
积。
Hr=(1.15-1.8)Dr
do=（6εVc/π）¹³
41
8.2.4 比例法
现以常见轮形铸钢件为 例,介绍比例法确定冒口尺 寸的方法\步骤图8-11
(1)热节圆直径dy的确定 量出热节圆直径dy
(2)按比例确定轮缘冒口 尺寸
冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在金属冷却和 凝固过程中，补给金属液，从而防止缩孔、缩松的形成， 同时还有集渣和排气的作用。
习惯上 ，把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。
8.1.1 冒口的种类和形状
顶冒口
1 按工艺冒口分为
依位置分
侧(边)冒口
普通冒口
明冒口
依顶部覆盖
暗冒口
通用冒口
大气压力冒口
依加压方式
ε=5% m补=548kg 1）计算模数M件铸件体积
V=[π（63²-33²）ˣ43/（4ˣ2）]=48607.2cm² 铸件的表面积=两个平面+两个侧面+上下端面 A=[(63-33)ˣ43+ π(63+33)ˣ43/2+ π（63²-33²）]/4=10031.76 M件=V/A=48607.2/10031.76=4.85 ≈5cm （2）计算冒口模数
1 收缩的概念
T浇 T液
T固
T室 成分
合金的收缩经历如下三个阶段： （1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度 之间的收缩。T浇 — T液
温度 温度
T2
S1
T1
S
表层 中心
（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固
（3）固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室
38
(2)轮毂冒口计算 把轮毂看作长方形断面的杆,用类似的方法计算.该
补缩节点的热节圆直径为50mm.于是50mmˣ1.1=55mm,计算得, Mc=5.5ˣ12.7/2ˣ(5.5+12.7)=1.92cm
Mr=1.2Mc=2.30cm 查标准圆柱形冒口表,当Mr=2.38cm收缩率5%每个冒口能补缩最大 铸件体积为4.2L(质量32kg)时,冒口尺寸Φ120mmˣ180mm （h=1.5d）。可见设置一个冒口已足够。
39
8。2．2 三次方程法
40
8.2.3 补缩液量法
假设 ①铸件凝固层增长速度 与冒口凝固层增长速度相等；
②假设冒口内供补缩用的金
属液体积为直径d0的球。
由于铸件中最大凝固层厚度
为壁厚T的一半，因此冒口直径
Dr与冒口中缩孔球直径关系为：
求出需要补缩的体积V补，再
d0=Dr-T。
折合成缩孔球的直径d0，用公式
1)缩孔和缩松的形成
2)缩孔和缩松的防止 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝
固次序，使铸件实现“顺序凝固”。
暗冒口
冒口— 储存补缩用金属 液的空腔。 顺序凝固— 铸件按照一定 的次序逐渐凝固。
热节
冷铁
3 寻找热节的方法
等温线法 内切圆法
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
8.1 冒口的种类及补缩原理
43
8.2.5 铸件工艺出品率
工艺出品率＝
铸件质量 铸件质量+冐口质量+浇注系统质量
100%
8.2.6 通用冒口设计步骤
把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数； 按比例计算冒口及冒口颈的模数； 确定冒口的形状及尺寸； 检查顺序凝固条件（补缩距离是否足够、补缩通道是 否畅通）； 校核冒口的补缩能力。
1)冒口补贴按下列经验 比例关系确定:
d1=(1.3-1.5)dy;
42
R1=R件+dy+(1-3)mm;R2=(0.5-1)dy;δ=5-15mm 2)冒口尺寸用下述比例关系计算: 暗冒口宽:B=(2.2-2.5)dy 明冒口宽:B=(1.8-2.0)dy 冒口长:A=(1.5-1.8) B 3）计算冒口补缩距离，L=4dy。当两冒口距离超过此值时，应放置冷
模数的计算
模数：又称为铸 件折算厚度.
M=V/A =体积/散热面积
1 简单几何体 模数的计算
29
2 相交节点的模数计算
a）测量法
测量出热节中心处的凝 固时间和平壁中心处的凝 固时间 ，用下式计算
T M
j
2
式中，T－－平板壁厚；
j－－热节中心处凝固时间；
－－平壁中心处凝固时间。
b）一倍厚度法
以相交的地方为基 准，分别向外移动一倍 的板宽的长度，得图中 阴影部分；然后用阴影 部分的模数，作为热节
的模数。
c）热节圆当量法
用模数法设计冒口
1 计算冒口的模数，设计冒口的形状和尺寸
对于普通冒口，由于 Kr=Kc, Mr=f*Mc f －冒口安全系数，又称冒口扩大系数。
碳钢、低合金钢铸件， 冒口r、冒口颈n、铸件c模数间的 关系如下。（通常用下面的关系来设计冒口和冒口颈尺寸）
侧冒口， Mc : Mn : Mr 1:1.1:1.2 内浇道通过冒口时，
45
典型铸钢件冒口设计实例图8-12，质量为370kg，采用 圆柱形明冒口，ε=5%时的最大补缩量m补为548kg， 冒口区长度L1为250mm，末端区的长度L3为350mm，
冒口高度为长度的1.5倍，H冒=1.5D冒。试计算冒口数量和尺寸。 解：已知m件=370kg， H冒=1.5D冒， L1=250mm，L3=350mm
压缩空气
发气冒口
保温冒口
发热冒口
特种冒口
依加热方式 加氧冒口
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冒口
电弧、煤气加热冒口
易割冒口
直接实用冒口（浇注系统当冒口）
铸铁件实用冒口（均衡凝固）
控制压力冒口
冒口无补缩
10
2 按形状冒口分为
圆柱形、球顶圆柱形、长（腰）圆柱形、球形、扁球形等。
11
8.1.2 冒口的补缩原理
1 冒口的补缩原理
1）冒口的凝固时间必须大于铸件被补缩部分的凝固时间。 2）冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件 内部的体收缩。 3）在铸件凝固时冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩通道。 4）为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷能力强
铁或设水平补贴。
（3)轮毂冒口尺寸
1）轮毂补贴按下列关系确定
D1=（1.1-1.3）dy
2）当轮毂较小时用一个冒口，冒口尺寸为：
冒口直径：D=Φ2-（15-20）mm，Φ2是轮毂直径
冒口高度：H=（2-2.5）d1+r r的值待d1确定后按图作出。当轮毂较
大时用两个冒口和多个，冒口尺寸按轮缘冒口的确定方法计算。
避免裂纹。 • e 尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件 • f 冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，外观好。 • g 不同高度的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。
26
27
8.2铸钢件冒口的设计与计算
8.2.1 什么是模数
冒口的凝固时间应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间。 冒口与被补缩部位间应能形成补缩通道的扩张角。
铸造工艺学 冒口设计
学院 机械系 主讲人：柴知章
第8章 冒口系统设计
合金从液态转变为固态的过程称为凝固，铸件的凝固 规律是铸造工艺的基本理论。研究凝固的控制，对防止铸 造缺陷，改善铸件组织及力学性能，获得优质健全铸件都 有重要意义。
2
铸件的凝固
1 铸件的凝固方式
温度 温度
①逐层凝固
a bc
②糊状凝固
8.1.3 补贴的应用
实现冒口补缩的基本条 件之一：铸件凝固时始终 保持向着冒口的补缩通道 扩张角。壁厚均匀的板形 件往往难以达到这个要求。
补贴：在靠近冒口的铸 件壁上补加的倾斜的金属 块。补贴可从结构上造成 向着冒口的补缩通道扩张 角，有效延长补缩距离。
22
补贴种类： 金属补贴 加热（耐火隔片）补贴 发热（保温）补贴 补贴的位置： 水平补贴：最大长度为 冒口模数的4.7倍，其它尺 寸如图。 垂直补贴：试验条件和 关系曲线如图，生产条件变 化时补贴厚度乘以补偿系数。
②杆件比板件补缩难度更大；
③阶梯形铸钢件补缩距离比板件大；
④垂直补缩距离至少等于水平补缩距离。
18
2）铸铁件通用冒口的补缩距离 灰铁件如下图：共晶度低，结晶温度范围宽，共晶前析 出奥氏体阻碍补缩，故补缩距离短。
球墨铸铁：糊状凝固，只有湿型和壳型铸造厚大铸件，铸型 刚度较差时才用通用冒口补缩。见表。
可锻铸铁：补缩距离为4-4.5T。
3）有色合金的冒口补缩距离 铜合金见表。
锡青铜、磷青铜：糊状凝固，有效补缩距离短，易出现 分散缩松。
无锡青铜和黄铜：凝固范围窄，补缩距离大。黄铜5-9T。 铝、锰青铜5-8T。
共晶型铝合金：4.5T。 非共晶型的铝合金：2T。
4）外冷铁对补缩距 离的影响
在两个冒口间放冷铁， 形成两个末端区，显著 增加有效补缩距离。 端 部放冷铁延长末端区。
体收缩率： V
V铸型 V铸件 V铸 件
100%
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
线收缩率： L
L铸型 L铸件 100% L铸 件
线收缩率是铸件产生应 力、变形、裂纹的根本
原因。
2 缩孔与缩松
液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固 收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固 的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小 而分散的称为缩松。
冷铁时,大致需要设置三个冒口.冒口之间设置冷铁时,可以只设 置两个冒口.
由图看到,补缩节点的热节圆直径dy为56mm.考虑补贴尺 寸及尖砂对散热的影响,将热节圆直径dy为56mmˣ1.1=62mm, 于是
Mc= dyˣ10.6/2(dy+10.6)=6.2ˣ10.6/2(6.2+10.6)=1.96cm 为了保证冒口比铸件晚凝固,取Mr=1.2Mc=2.35cm.当收缩 率为5%Mr=2.42cm,每个冒口能补缩最大铸件体积为4.8L(质 量37kg)时,冒口尺寸a=100mm,b=200mm,h=150mm(h=1.5a).
⑦ 不同高度的冒口，用冷铁使 各个冒口的补缩范围隔开。
13
14
15
3 冒口有效补缩距离的确定
16
有效补缩距离：冒口作用区与末端区长度之和。是确定 冒口数目的依据。
1）铸钢件冒口的补缩距离
碳钢件如下图：冒口区和末端区长度都随铸件厚度增大 而增加，且随截面的宽厚比减小而减小。
总结：
①薄壁件比厚件更难以消除轴线缩松；
实验表明，薄壁件凝固时间与壁厚的平方成正比，即遵
循Chvorinov公式（τ=Kδ2）。冒口的凝固时间和铸件的凝
固时间，分别可写成如下形式。
(Mr )2
r Kr
C (Mc )2
K
c
式中 Mr、Mc 分别为冒口模数和铸件模数;
Kr、Kc 分别为冒口、铸件的凝固系数，一般Kr=Kc。
因此，可以用模数来表示铸件凝固的先后。
如果考虑砂芯的影响，按表8-3k=1.5，则50ˣ1.5=75mm， 计算得
Mc=7.5ˣ12.7/2ˣ（7.5+12.7）=2.36 Mr=1.2ˣMc=2.83cm 查标准圆柱形冒口表,当Mr=2.85cm收缩率5%每个冒口能补 缩最大铸件体积为7L(质量54kg)时,冒口尺寸Φ150mmˣ225mm （h=1.5d）。这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。
③中间凝固
成分
固
液
2 影响铸件凝
表层 中心
固方式的主要
因素 （1）合金的结晶温度范围
液相线
S
液相线 固相线
固表层 中心液 表层 中心 凝固区
合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈 窄，愈倾向于逐层凝固 。
铸件的收缩
2） 铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前
提下，凝固区域的宽窄取决与铸件 内外层之间的温度差。若铸件内外 层之间的温度差由小变大，则其对 应的凝固区由宽变窄 。