铸造工艺与模具-浇注系统设计

图 池形浇口杯
图 平底浇口杯中浇注方向对液流流向的影响 a) 侧向浇注 b)纵向顺浇 c) 纵向逆浇
• 纵向顺浇方便浇注工作，不易产生垂直涡流，轻 质点夹杂物进入直浇道的可能性大；纵向逆浇易 形成垂直涡流，有助于夹杂物上浮。侧向浇注形 成垂直涡流的可能介于上述两者之间，液流从一 侧流向直浇道，易形成水平涡流。
图 底坎和浇注方向对液流流向的影响 a) 纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧向浇注
• 纵向逆浇时排渣、排气效果最好；纵向顺浇时效 果较差；侧向浇注虽然金属液从浇口杯一侧越过 底坎流向直浇道时会出现水平涡流，但涡流的旋 转速度也因底坎的限制而小得多。
图 带隔板和底坎的浇口杯 a)合理 b)不合理
• 在池形浇口杯中增设隔板和在浇口杯出口处又有 底坎，就能把浇包落入浇口杯中流股的紊乱搅拌 作用限制在浇注去范围内，且能急剧改变流股方 向，形成使轻质点杂质上浮的流向。
• 蛇形直浇道时利用增加水力损失改变直浇道压力 分布的一例，多用于有色金属铸件和直浇道直接 接于型腔时。 • 在机器造型机上使 用的直浇道多被固 定在模板上，其形 状必须是圆柱形或 上小下大的倒锥形， 这时要靠增加直浇 道出口以后的阻力， 如在横浇道上加设 滤网、阻流片等。
图 蛇形直浇道曲折程度对直浇道中压力分 布的影响(非透气壁) a) 直浇道出现负压 b)直浇道呈正压分布
图 直-横浇道连接的形式 X射线可视化铸造证实：浇道容积的增加会引起额外的流体 前沿紊流
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； • 作用：1)向内浇道分配洁净的金属液；2)储留最初 浇入的含气和渣污的低温金属液并阻流渣滓；3) 使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物，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。
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。
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，有利于 在直浇道中呈正压流 动，能防止吸气或非 充满状态而带气。 • 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；
内浇道的吸动作用
横浇道ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ液流分配
• 金属液从直浇道进入 横浇道初期，他以较 大速度沿长度方向向 前运动，等到达横浇 道末端冲击该处型壁 后，金属液的动能转 变为势能，横浇道末 端附近液面升高，形 成金属浪，并开始返 回移动，使横浇道内 液面向直浇道方面逐 渐升高，直到全部充 满。
图 液流分配比例
1-直浇道 2-横浇道 3-内浇道
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。
液态金属在浇口杯中的流动
• 液态金属在平底的浇口杯中流动 时易出现水平涡流。 • 流量分布不均匀造成流速方向偏 斜。水平分速度对直浇道中心线 偏斜，形成水平涡流运动。在涡 流中心区形成一个漏斗形充满空 气的等压自由液面的空穴。容易 将空气和渣子带入直浇道。
增强横浇道挡渣能力的措施
• 缓流式浇注系统
1-直浇道 2-横浇道 3-内浇道
• 阻流式浇注系统
a) 垂直式 b) 水平式
• 带滤网式浇注系统
1-滤渣网 2-直浇道 3-横浇道 4-内浇道
• 集渣包式
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。
图 内浇道流量分布
• 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。
液态金属在直浇道中的流动特点
• 直浇道一般不能挡渣， 而且金属液通过时容易 带入气体。当气体被卷 入时容易带入气体。当 气体被卷入型腔时而又 不能顺利逸出时，就会 在铸件中形成气孔。
图 液体从浇口杯中自由落下的形貌示意
图 液流在有机玻璃模型的直浇道内的流动情况 a) 圆柱形直浇道，入口为尖角，呈不充满的状态 b)圆柱形直浇道，入口 为圆角，充满且吸气 c) 上大下小的圆锥形直浇道，入口为尖角，呈不充 满状态 d)上大下小的圆锥形直浇道，入口为圆角，充满且三排小孔有液体 流出
横浇道的挡渣原理
• 横浇道内向前流动的金属液， 在内浇道附近除了有继续向前 的运动速度外，还有一个向内 浇道流动的速度，于是内浇道 会将横浇道中的金属液“吸” 进去，即“吸动作用”。 • 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。
• 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。
• 在浇口杯底部加设凹坑 有利于形成垂直涡流及 增强挡渣能力，可有效 的吸收金属液的冲击， 并在浇注时阻止缓慢浇 入的金属液进入直浇道。 待包嘴对准，才快速浇 注和充满直浇道，使渣 子进入的最少。
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。
合金液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。
直浇道的吸气问题
• 由伯诺里方程可得：
p2 p1
2 v12 v2 Z1 h12 2g

p1 , p2 断面1-1， 2-2的压力，p2 pa； h1 2 断面1-1和2-2间的水力压头损失； v1 , v2 断面1-1， 2-2上的液流速度；
液态金属密度；
vr 常数 r 液流至涡流中心的距离； v 液流切线速度。
图 浇口杯中涡流运动
• 浇口杯中液体要有必要 的深度，并在整个浇注 过程中连续供给金属液， 保持液面不变，浇包嘴 尽可能接近和迅速浇满 浇口杯。
图 浇注状态对液流运动的影响 (a)合理 (b)、(c)不合理
• 浇口杯还应有合理的形状和结构，以防止产生水平 涡流，提高浇口杯的挡渣能力。
Z1 为1-1断面位能压头。
图 不透气的模型直浇道中金属 液流动状况及压力分布
• 根据流体的连续性方程，金属液稳定流动时，通过 各个断面的流量相等。由于断面相等，因此，流速 相等。有：
p2 p1

Z1 h1 2
p1 , p2 断面1-1， 2-2的压力，p2 pa； h1 2 断面1-1和2-2间的水力压头损失； Z1 为1-1断面位能压头。
• 金属液沿斜壁流下， 其流速的减低和流 向的改变，形成垂 直方向的涡流，有 利于杂质的上浮。
图 浇口杯的挡渣作用
浇口杯的结构分析
• 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。 为了挡渣，可用带滤网的漏斗形浇口杯。
• 金属流股断面上的压力应该大于或等于砂型表面层 气体的压力。
P Pa P 液流内部压力； Pa 浇注系统型壁表层的气体压力，接近于大气压力。
• 因此，流股内部和砂型表层气体压力之间便没有压 力差存在，气体也不可能被“吸入”流股。液态金 属在直浇道中呈非充满式流动时是会带入气体的， 这是因为液流向下做加速运动时，其表面与气体发 生摩擦，带动气体随之向下运动，并冲入直浇道底 部的金属液之内而卷入型腔。故在直浇道内气体是 被液流带走，而不是被吸入。
• 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，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：缓冲作用，减小金属液的紊流 和对铸型的冲刷作用；缩小直-横浇道拐弯区的高 度紊流区；改善内浇道的流量分布；减小直-横浇 道拐弯区的局部阻力和压头损失；浮出金属液中 的气泡。有利于注入型内的金属液中的渣、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。
第三章 浇注系统设计
3.1 概述
• 浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总 称。
什么是好的浇注系统？
• • • • • 浇注系统尺寸所占比例小； 合金液以要求速度填充模具； 仅是液态金属（无渣、氧化和砂）进入模腔； 消除表面紊流； 浇注系统部分便于从铸件上去除。
浇注系统的主要功能
• 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。
• 对于直浇道不透气的条 件下导出的等断面直浇 道内液流呈充满状态流 动时，越靠上部真空度 越大，吸气越严重。
图 不透气的模型直浇道中金属 液流动状况及压力分布
• 实际砂型是均匀的透气体，砂型表层的气体 压力均匀的作用在流股表面，使之呈等压(大 气压力)状态； • 液态金属在等断面直浇道内自由下落过程中 做等加速运动，流股必定向内收缩而离开直 浇道壁； • 砂型和液态金属不润湿，透气的砂型壁使流 股失去附壁效应，以及热作用型砂中气体压 力略有升高，这些均促成在直浇道中出现不 充满的状态。
拔塞浇口杯
• 即使带隔板和底坎（或凹坑）的浇口杯，也不能 完全阻挡浇注开始时液流带入的气体和夹杂物， a)熔化铁隔片浇口杯 b)扒塞浇口杯 故浇注重要铸件时，常在浇注前用各种方法将直 浇道堵住，等浇口杯充满后再打开，并一直保持 c)浮动闸门浇口杯 浇口杯的液面高度。
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。