第三章 浇注系统的设计与计算

第三章
浇注系统的设计与计算
浇注系统设计正确与否关系到铸件的成败， 是铸造生产中的关键技术
第一节 浇注系统
一、浇注系统的组元
浇口杯： 接纳、引入金属
直浇道：引入金属，形成压头
横浇道：引入金属，阻撇熔渣 内浇道：引入金属，调控温度场
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b）宽厚比＜5 ：1
平板铸件的缩松区
板件及杆件铸钢冒口的有效补缩距离
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如上图所示，冒口有效补缩距离
L = 冒口区+末端区 L 与铸件的结构、合金成分、冷却条件有关。 板形铸钢件： L = 4.5 T 杆形铸钢件： L = 30√T 灰口铸铁 件： L=（6～10）Dr
二、对浇注系统的要求



足够的浇注速度，流动平稳，满足一定时间 内充满型腔； 防止冲砂，避免铸件出现夹砂 、冷隔等缺陷； 防止旋涡，避免吸气或金属过度氧化； 内浇道的位置和数量符合铸件所需凝固或补 缩原则； 结构合理，造型简单； 浇注系统本身消耗金属少。
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式中
Mr 、 Mc —冒口与被补缩铸件部位
的模数； Kr、 Kc —冒口与被补缩铸件的凝 固系数。 对于普通冒口， Kr =Kc， ∴ Mr = f Mc f —冒口安全系数， 一般取f =1.2 。
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对于碳钢、低合金钢铸件
：Mc : Mn : Mr = 1 : 1.1 : 1.2 内浇道通过冒口： Mc : Mn : Mr = 1:（1～1.03）: 1.2 顶冒口： Mr=（1.2～1）Mc 式中 Mn为冒口颈的模数。
侧冒口
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冷铁对冒口有效补缩距离的影响
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（四）铸件工艺出品率的校核
铸件工艺出品率是铸造生产中的一项重要经济指标，表 示得到一件铸件产品究竟需要消耗多少金属液。实际上：
铸件工艺出品率 铸件质量 铸件质量 冒口总质量 浇注系统质量 100%
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常用合金的体收缩率ε
铸件材质
中碳钢 wc=1%钢 灰铸铁 白口铸铁 纯铝 纯铜
冒口的补缩效率η
冒口种类或 工艺措施
圆柱或腰园柱形冒口Hale Waihona Puke Baidu球形冒口 补浇冒口时 浇口通过冒口时 发热保温冒口 大气压力冒口
ε（%）
一 概述
１、冒口的作用：补缩 、排气、集渣
２、冒口种类
冒口种类
普通冒口
顶冒口、暗冒口 侧冒口
特种冒口
大气压力冒口 发热冒口 保温冒口
铸铁件的 实用冒口
浇注系统当冒口 控制压力冒口
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4、冒口位置
1）、铸件热节上方或侧旁； 2）、铸件最高最厚部位； 3）、一个冒口同时补缩几 个铸件； 4）、不选应力集中部位， 希望放在加工面上； 5）、 用冷铁隔开冒口的 补缩范围。
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4、确定内浇道位置的几个具体问题
结构复杂的铸件，壁厚差别大的补缩区域则按顺 序凝固从厚处引入；整个铸件按同时凝固方式采 用多个内浇道充型。 要求各内浇道的流量分布合理。 液流顺壁流入，不冲刷 型壁、型芯和铸型凸出部分。 避开铸件重要部位， 防止晶粒粗大。 造型、清理操作方便， 不阻碍铸件收缩。 湖北汽车工业学院材料工程系
球墨铸铁呈 “糊状凝固” , 冒口的有效补缩距离较灰铸铁小 ， 其不同条件下的湿型试验数据参见下表。
铸件壁厚 δ/mm 6.35 12.70 水 平 补 缩
湿 型 —— 101.6-114.3 湿 型 31.75 101.6 湿 型 —— 88.9
垂直补缩
壳型 —— 88.9
15.86
25.4 38.1
计算步骤：
以内浇道为阻流（最小）截面，用奥赞(Osann)公式
S内 m

2 gH
p
计算每个内浇道截面积。 式中Hp可用浇口杯中液面到内浇道中心的距 离Ho计算。
配套措施：
1）浇口杯应足够大； 2）严格控制浇注时间。
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２、开放式浇注系统
∑Ａ内> ∑Ａ横>Ａ直
开放式浇注系统初期各组元不可能全充满， 撇渣能力较差，充形流速不高； 冲刷力小，受氧化的程度轻。 用于易氧化的有色合金铸件、球铁铸件。 对于铝、镁合金，常用开放式浇注系统。各 组元截面积比可参考应用： Ａ直：∑Ａ横：∑Ａ内=1：2：4
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割肋在清理时切除；拉 肋必须在消除内应力后去掉。
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五 铸造工艺设计实例
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复习题
1. 说明冒口的作用和确定冒口位置的一般原则。 2. 阐述用模数法设计计算铸钢件冒口的内容及热节部 位模数的计算方法。 3. 对比分析模数法、补缩液量法和比例法计算或确定 铸钢冒口的理论依据及工作内容。 4. 何谓铸铁件的均衡凝固技术？有何重要意义？ 5. 说明铸铁件实用冒口设计理念和设计计算内容。 6. 说明冷铁和铸肋的作用及应用。
浇注系统质量约占铸件质量的 3％ ～ 6％。在铸钢生产 中，浇、冒口消耗钢液较多，铸件工艺出品率一般只有50 ％ ～ 70％。
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1、铸肋
铸肋又称为工艺肋，分 为割肋和拉肋两类。 割肋用于防止铸件热裂； 拉肋用于防止铸件变形。
缺点
对型腔底部冲击力大， 易激溅、氧化、卷入空气， 可造成砂眼、铁豆、气孔、 氧化夹渣等缺陷。
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优点：
底注式的优缺点
充型平稳。横浇道、内 浇道充满时利于挡渣；能 够减少金属氧化。
缺点：
温度分布下高上低，铸 件补缩效果不好； 内浇道附近易于过热， 易发生缩松和晶粒粗大等 缺陷； 铸件顶部、边远处容易 形成浇不到，冷隔等缺陷。

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第二节 浇注系统的计算
1、 奥赞(Osann)公式
—阻流（最小）截面积 的计算 。
阻流（最小）组元指浇 注系统中最小截面积的浇道， 一般为内浇道，即
A阻=
H
m

H
0
2 gH
2
p
P
P
2C
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三 、浇注系统的类型
（一）按内浇道在铸件上的位置分
1. 顶注式
a) 普通式
b) c) d) e) 楔形式 压边式 雨淋式 搭边式
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顶注式的优缺点
优点
压头大，流动阻力小， 能够减少浇不足、冷隔缺陷； 温度分布上高下低，铸件补 缩效果好
⑷ 关于冒口有效补缩距离的说明 补缩的基本条件：
凝固时间应大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间； 有足够的金属液补充铸件（或铸件被补缩部分）的收缩； 铸件上被补缩部位内必须保持有通畅的金属液补缩通道 。
冒口有效补缩距离：
指在铸件壁的某一段长度或高度内具有有效补缩。
碳钢件冒口的有效补缩距离如图所示。
a）宽厚比≥5 ：1
复习题
1．浇注系统由哪些部分组成？分别说明各个组元的 作用？ 2．比较顶注式和底注式浇注系统的优缺点。 3．比较封闭式和开放式浇注系统的优缺点。
4 . 如何提高横浇道的撇渣效果？
5. 内浇道在铸件浇铸中能够起到哪些重要作用？ 6．确定内浇道位置要注意哪些具体问题？ 湖北汽车工业学院材料工程系
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二 铸钢件冒口的设计与计算
冒口必须提供足够的金属 液，补偿铸件凝固的体收缩, 条件应有： 即 Vr =Vcε/(η-ε)
(V c V r ) V e ≤ V r
式中： Vr —冒口体积； Vc—铸件体积； Ve—型壁移动所扩大 的体积； ε—体收缩率； η—冒口补缩效率。
2.5～3.0 4.0 1.9～膨胀 4.0～5.5 6.6 4.92
η（%）
12～15 15～20 15～20 30～35 30～50 15～20
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（一）应用 模数法计算冒口尺寸
1、模数概念
冷凝物体的模数是它的体积V 和散热面积A 之比。
3、内浇道的设计
1） 内浇道的作用： 3） 位置的选择： 依据铸件所需凝固方式和流动特性考虑。
控制液态金属充型速度和流动方向、温度分布和凝固顺序。 2） 形状：扁平梯形、月牙形和三角形。
同时凝固：
对于壁厚均匀的铸件，拟采用多个内浇道分散引入； 对于不均匀的铸件，则从薄壁处引入。
顺序凝固：
从厚壁处引入金属液。
——
——
127.0
127.0
——
101.6-127.0 139.7-152.4
114.3
——
165.1
—— 湖北汽车工业学院材料工程系 228.6
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（5）布置外冷铁加大冒口有效补缩距离
应用铸件边缘多处布置外冷铁增加中间激冷端的方法 , 能够大大延长冷铁末端区的长度,从而可以显著加大冒口有效 补缩距离。
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即
M=V/A
计算原理是基于冒口 的凝固时间τr 大于铸件补缩部位 的凝固时间τc ， 即 而
∴
τc=

K
c
Mc 2
τ r ≥ τc
；
τr =
Mc 2
c

M
r
2
Kr
≥ K
Mr 2 Kr
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应用：
主要用于结构复杂的各 种黑色金属铸件和易氧化 的有色合金铸件。
汽缸头
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中间浇注应用广泛
中间浇注综 合有顶注式和 底注式的优缺 点； 内浇道、横 浇道设在分型 面上，造型方 便。
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7．如何应用奥赞(Osann)公式计算阻流截面积？ 如何确定或计算式中各个工艺参数？ 8．一铸铁件重 5 吨，平均壁厚为30毫米，试求浇注 时间？若为铸钢件，其浇注时间 应为多少？
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第三节
冒口、冷铁与铸肋
（二）按浇注系统各组元截面积的比例关系分
1、封闭式浇注系统
∑Ａ内< ∑Ａ横<Ａ直
一般为 ∑Ａ内：∑Ａ横：Ａ直＝1：1.1：1.15
特点：
挡渣力强，金属消耗少，易清理；
充型流速高，易喷射冲砂；
用于不易氧化的金属。
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