浇注系统设计

撇渣原理
撇渣原理
• 吸动区范围大小与内 浇道中的液流速度成 正比例，还随内浇道 断面的增大及内浇道、 横浇道高度比值得增 大而增大。生产中常 将横浇道做成高梯形， 内浇道制成扁平梯形， 内浇道置于横浇道之 下，使横浇道高度为 内浇道高度的5~6倍。
• 为了使从直浇道急转弯 进入横浇道的金属液的 流动比较平稳，以及使 渣来得及浮到横浇道顶 部，直浇道中心到第一 个内浇道的距离为L≥5h 横，浇道末端要加长一 段距离，以减少最后一 个内浇道的吸动作用， 甚至加上冒渣口，及使 聚集在加长段中的夹杂 物不再随液流返回到横 浇道的工作段中去。
④ 内浇道
• 内浇道的作用是引导金属液进入型腔。 • 内浇道比较短，本身不能挡渣，但是合理 的结构尺寸与与横浇道的连接方式将有利 于横浇道的挡渣。 • 内浇道可以调节铸型与铸件各部分的温差 和凝固顺序；分配金属液；控制金属液流 的充型速度与方向，使之平稳充型。
• 内浇道在铸件上开设位置的选择
• 对壁厚均匀的铸件，应当采用同时凝固的方式， 可选用多个内浇口分散引入金属液。壁厚不均匀 的铸件，可从薄壁处引入，这样可以平衡铸型各 部分的温差，使铸件大体在相同时间凝固，当需 要顺序凝固时； • 对需要采用冒口补缩的铸件，应获得顺序凝固的 条件，从厚壁处引入金属液，形成从薄壁到厚壁 最后到冒口的先后凝固顺序；
底注式浇注系统
• 优点：底注式的内浇道很快被金属液淹 没，因此充型平稳，不会产生激溅、铁 豆，型腔中的气体易于排除，金属氧化 少，同时型腔中液面升高后可使横浇道 较快充满，较好挡渣。
• 缺点： • 1）底注式的高温金属液从底部进入型腔中 所造成的温差与靠重力补缩的顺序相反，所 以对补缩不利，当铸件较高时更加明显。 • 2）充型上升平稳，当铸件较高时，金属液 在上升过程中长时间与空气接触，表面容易 形成氧化皮，这会妨碍金属液内的气体排出， 影响铸件的表面质量。因此，底注式浇注系 统主要适合于高度不大、结构复杂的铸件。
二、按断面比例关系分类
• 封闭式浇注系统
• 开放式浇注系统
封闭式浇注系统
•封闭式浇注系统是指从浇口杯底孔到内浇道 的断面积逐渐缩小（即内浇道的断面积之和 最小，浇口杯底孔的断面积最大），其阻流 断面正好是内浇道的浇注系统。
F F
内
横
F直下端 F直上端 F杯孔
•优点：封闭式浇注系统充满快，故在浇注后 不久就有好的挡渣能力；还可以减少金属液的 消耗，在铸型中也较好安排，便于清理；可以 防止气体卷入金属液中， 适合于中小型铸铁 件。 •缺点：流速较大，有时甚至向型腔产生喷射 现象使合金液发生氧化，不适合于易氧化的非 铁金属铸件或压头高的铸件。
3.3 浇注系统最小断面尺寸的计算
①阿暂公式 • 设单位时间内流经内浇道金 属液的体积为Qm3/s，则 Q=F内v内 F内－内浇道断面积 m2； v内－内浇道口的平均流速m/s， 可由伯努里方程等到；
பைடு நூலகம்
•由伯努里方程可得
2 P外－p内 v外 v内 2 g H 0 h 2g
则
Q F内v内 F内
2 P外－p内 v外 2g H0 h 2g
•简化可得
浇注系统的设计内容与步骤
• 选择浇注系统的类型和结构； • 合理地在铸型中布置浇注系统及确定内浇道的 引入位置和个数； • 计算浇注时间和浇注系统中的最小断面积，确 定直浇道的高度（如有浇口杯则从杯中液面高 度算起）； • 按经验比例数据决定其他组元的断面积； • 大批量生产时需经过生产阶段的反复，如有不 足之处，应调整以上各项设计内容，甚至修改 工艺方案，直到合理并保证质量为止。
3.2 浇注系统类型选择 3.2.1 浇注系统的组元
① 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。
• 漏斗形浇口杯：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；主要用在小型铸铁件及铸钢件，广泛用于 机器造型。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。
•封闭－开放式浇注系统
• 控制流量的阻流断面位于直浇道下端，或在 横浇道中，或者在集渣包出口处等。 • 这类浇注系统在阻流之前是封闭的，可起挡 渣作用；其后开放，可使充型平稳。兼有开 放式和封闭式浇注系统的优点，一般用于小 型铸铁件和铝合金浇注，特别是在一箱多铸 小件时应用，这种浇注系统结构复杂，浇道 模样制造以及造型费事，多用于手工造型。
顶注式浇注系统 底注式浇注系统
中间注入浇注系统
阶梯式浇注系统
顶注式浇注系统特点
• 缺点：对铸型的冲击大，流股与空气 接触面积大，金属液会产生激溅、氧 化，易造成砂眼、铁豆、气孔、氧化 夹渣等缺陷；
• 优点： • 顶注在铸型中所形成的温差与一般铸件由底部 开始逐渐向上的凝固顺序，有利于加强凝固的 顺序性和顶部冒口对铸件的补缩，可以减少轴 向缩松的倾向及冒口的体积； • 金属液从顶部充填型腔易于充满，对薄壁铸件 可减少浇不足、冷隔等缺陷；浇注系统的结构 可以简单而紧凑，便于造型，金属的消耗量也 少； • 适用于结构比较简单而且高度不大的薄壁铸件， 以及致密性要求高、需用顶部冒口补缩的中小 型厚壁铸件。不宜用于易于氧化的合金。
F直： F横： F 1.151.11 ：： 内
开放式浇注系统
•这种浇注系统是指从浇口杯底孔到内浇 道的断面逐渐加大，阻流断面在直浇道 上口的浇注系统。浇注过程呈无压流动 状态。
F F
内
横
F直下端 F直上端
特点
• 挡渣能力很差，熔渣和气体容易进入型腔， 造成废品；同时消耗的金属液也较多。 • 内浇道的金属液流速不高，流动平稳，冲 刷力小，金属液受氧化的程度轻。主要用 于易于氧化的合金铸件。
直浇道的结构设计
•入口处的连接 采用圆角，其 半径为直浇道上端直径的0.25 倍。这样可以减少气体的卷入 和冲砂的危险。
直浇道的结构设计
• 直浇道的形状 上大下 小的锥形。特例：机 器造型机上使用直浇 道多是上小下大的倒 锥形，这时要靠增加 直浇道的出口阻力， 如在直浇道中增加滤 网，阻流片使充满；
• 内浇道个数与断面形状
• 充填型腔的高温金属如集中通过一个内浇 道，常会使内浇道附近的铸型局部过热， 一起铸件局部晶粒粗大，粘砂、缩孔、缩 松等缺陷。所以一般采用两个或更多内浇 道。但太多也会使金属冷却过度及氧化。
•内浇道个数和断面形状
3.2.2 浇注系统的类型
一、按内浇道在铸件上的相对位置分类
• 内浇道与横浇道的连接
• 内浇道与横浇道 的交界处角度不 应小于90°。
内浇道与横浇道的连接方式
• 对于封闭式浇注系统内浇道应在横浇道底 部，内浇道和横浇道的底面最好在同一平 面上，否则浇注之初内浇道不能很好地保 持空位而过早地起作用。
内浇道与横浇道的连接方式
• 对于开放式浇注系统，内浇道开在横浇道顶部， 内浇道的顶面不能和横浇道顶面在同一平面上， 而要置于横浇道的顶上，以防止整个（或大部分） 浇注期中，当横浇道还还未充满时杂质就进入内 浇道而不滞留在横浇道顶部。
③ 横浇道
• 横浇道用以连接直浇道与内浇道，并将金属 平稳而均匀的分配给各个内浇道； • 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。
直浇道的结构设计
• 直浇道与横浇道的连接 要 增设直浇道窝的结构防止 冲砂和卷气，使金属液的 紊乱程度降低。窝座的直 径一般为横浇道宽的2倍左 右面，最好接近横浇道的 高度，直浇道与横浇道的 连接也应做成圆角。
直浇道窝
• 直浇道窝的作用：减小金属液的紊流和对 铸型的冲蚀作用，减小局部阻力和压头损 失，有利于渣、气与金属液分离并上浮。 • 湿型砂强度低，必要时可在直浇道底放一 干芯片（或耐火砖片）以承受金属液的冲 击。
• 对于结构复杂的铸件，往往采用同时凝固和顺序凝 固相结合的解决方法。即对每一个补缩区按顺序凝 固的需要安放内浇道，但对整个铸件，则需要按照 同时凝固的方式采用多个内浇道分散充型； • 在铸件壁厚相差悬而又必须从薄壁处导入金属时， 则应同时使用冷铁使厚壁处先凝固及加大冒口等工 艺措施； • 内浇道应使液流顺壁流入，不冲刷型壁，不冲击型 芯，且不阻碍收缩； • 内浇道应该避开铸件的重要加工面部分，防止出现 晶粒粗大，降低耐磨性等； • 内浇道的位置应使造型清理方便，且不阻碍铸件的 收缩。
• 生产上常常使用介于这两者之间的半封闭 式和封闭－开放式浇注系统；
• 半封闭式浇注系统
F
横
F直 F内
• 直浇道一般是上大下小的锥形，能够很快充 满，而横浇道断面最大、充满较晚，可以降 低液流速度，在浇注开始时平稳，对铸型的 冲刷比封闭式浇注系统小的多，挡渣效果比 开放式好。主要用于球墨铸铁。
• 池盆形浇口杯：挡渣作用明显，但是制作程 序复杂，消耗的金属较多，主要用于中大型 铸铁件。浇口盆的深度应该大于直浇道上端 直径的5倍。
• 常用浇口杯类型
a)熔化铁隔片浇口杯
b)扒塞浇口杯
c)浮动闸门浇口杯
② 直浇道
• 直浇道多为圆形或方形断面的锥形管道， 作用是从浇口杯向下引导金属液进入浇 注系统的其他组元或直接导入型腔，并 提供足够的压力头，使金属液在重力作 用下能克服流动过程中的各种阻力，充 满型腔的各个部分。
中间注入式浇注系统
• 中注式浇注系统综合了底注式＆顶注式浇注 系统的优点，使之充型平稳，改善了补缩条 件，又有利于排气。
阶梯式浇注系统
• 阶梯式浇注系统主要缺点在于结构复杂，设 计计算必须正确。容易出现各层内浇道同时 引入金属液的混流现象造成底层进入金属液 过多，底部温度过高。 • 优点：充型平稳，避免因压头过高或流股从 高处落下冲击型底，造成严重的喷射和激溅； 金属液自下而上的充满型腔，有利于排气， 而且逐渐上部的温度高于下部，能方便的实 现自下而上的顺序凝固，可使冒口充分补缩 铸件；内浇道分散，减轻了局部过热现象。 可以减少铸件上的砂眼、气孔、冷隔、浇不 足、缩孔和缩松等缺陷。适合于高度大的中 大型铸件。
第四章
浇注系统设计
4.1 概述
浇注系统的功能
• 使液态合金平稳充满砂型； • 阻挡夹杂物进入型腔，以免形成渣孔； • 调节铸型与铸件各部分的温度分布以控制铸件的凝固 顺序； • 起一定的补缩作用，在内浇道凝固前补给部分液态收 缩； • 让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； • 充型流股不要正对冷铁和芯撑； • 合理的浇注系统应能节约金属，有利于减少冒口的体 积。 • 结构简单紧凑，利于提高铸型面积的利用率，便于造 型和从铸件上清除。
横浇道断面形状
• 内浇道的断面形状 有梯形，圆形和圆 顶梯形三种。梯形 和圆顶形主要用于 浇注灰铸铁和有色 金属合金铸件，圆 形断面的横浇道散 热最少，但撇渣效 果差，用于浇注铸 钢件。
横浇道具有撇渣作用的条件：
• 横浇道必须呈充满状态； • 液流的流动速度低于渣粒的悬浮速度 （渣粒能在横浇道中浮起）； • 液流的紊流搅拌作用要尽量小； • 应使夹杂物有足够的时间上浮至顶面， 横浇道的顶面应该高出内浇道区一定 距离，末端应加长； • 内浇道和横浇道应有正确的相对位置。
在砂型中流动的水力学特点
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； 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； 3. 浇注过程是不稳定流动过程； 4. 合金液在浇注系统中一般呈紊流状态； 5. 多相流动。 尽管如此，运用水力模似还是可以提供一些有 益的情况。