1、1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。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；
2、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。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。3.2 浇注系统类型选择3.2.1 浇注系
3、统的组元2 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。浇口杯 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。 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
4、)浮动闸门浇口杯直浇道 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。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3 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；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
5、 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。直浇道的结构设计直浇道窝 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。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。撇渣原理 撇渣原理 吸
6、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 56倍。4 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。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
7、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。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
8、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； 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；
9、 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。5 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。 内浇道个数与断面形状 充填型腔
10、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6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；
11、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。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
12、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。7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；
13、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。缝隙式浇注系统8特点： 充型平稳、有利于阻渣；有利于铸件自下向上顺序凝固和上部冒口补缩。 金属的消耗多，浇道切割困难，在铸钢、铸铁中很少使用。 广泛用于轻合金铸造中，适合于浇注缩松倾向大的镁合金铸件。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。杯孔直上端直下端横内FFFFF 直上端直下端横内FFFF9特点 挡渣能
14、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。 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 FF 横直内 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。 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
15、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。3.3 浇注系统最小断面尺寸的计算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；阿暂（ Osann）公式 从浇口杯叶面到内浇道出口处的伯努里方程是：2200+0+h2g 2g-;,;hPPv vHHPPavPPa+=+内外外 外外外2内作用于内浇道的金属液压力头，即由浇口杯内液面到内浇道中心的垂直距离；作用于浇口杯液面上的大气压力，浇口杯内金属液
16、的平均流速,m/s;g-重力加速度,9.81m/s ；型腔中气体的压力压阻力损失（包括沿程阻力损失）,Pa。 由伯努里方程可得+=gvhpPHgv2220外内外内则+=gvhpPHgFvFQ2220外内外内内内10 简化可得02gHFQ内=02gHQF=内020021gHvhHhHpP外内外 + 其中流量系数 流量系数一般通过实验或者经验获取 在浇注时间 t内，金属液流入型腔的总重量为 G，则tGQtQG=02gHtGF=内Osann公式 式中 H0在金属液充填内浇道以下型腔时是不变的。但当型腔内的金属淹没内浇道、并继续充填内浇道以上的型腔时，静压头是在 H0与 (H0-P)之间发生变化，使用
17、 Hp代替 H0。p2GFtgH=内 浇注时间和型内上升速度的核算 浇注速度可以在一定程度上控制铸型和铸件各部分的温差。应根据铸件结构复杂程度、合金性质和铸型类别等方面确定快浇、慢浇或正常浇注。 对于薄壁复杂件，具有大平面的铸件，表面易氧化的铝合金件，采用底注式浇注系统和顶冒口补缩的铸件，各种中大型灰铸铁、球墨铸铁件以及选用树脂砂型生产的铸件等，都得使用快浇。 慢浇时金属对型壁的冲刷作用轻，可防止涨砂、冲砂、抬箱等缺陷，有利于型内、芯内气体的排放。对体积收缩大的合金，当采用顶注式或内浇道通过冒口时，慢浇可以减小冒口尺寸，提高铸件工艺出品率。 慢浇工艺适合于有高的砂胎或掉砂的湿型，适用于型内砂芯
18、多，砂芯大而芯头小或砂芯排气条件差的情况，或者采用顶注式的体积收缩大的合金铸件。 每一个铸件均有最合适的浇注重量速度，即有一个最适宜的浇注时间范围。这个时间的长短决定于合金的种类、铸件的特性 (复杂程度、结构、尺寸及壁厚等 )和所用的浇注系统类型。z 浇注时间的确定 对于重量小于 450kg，壁厚为 2.5-15毫米的铸铁件，可按照下式计算：NtsGG=秒型内金属总重， 。 对于重量在 10t以下的中大型铸件31-mmts G= 秒铸件壁厚， 。11 重型铸件秒pGst 22= 一般来说，浇注时间的确定是根据合金性质由生产经验选择。 在确定了浇注时间之后，还应该核算金属液在型腔内的液面上升速度
19、，主要是核算铸件最大横界面处的型内金属上升速度。液面上升速度核算方法 然后结合总结数据对液面上升速度进行核算。();vCvCmm=上升上升型腔内液面的上升速度(mm/s)；铸件最大截面在已定浇注位置上的高度浇注时间(或浇注某段铸件时间)(s)。 平均静压头 HP及最小剩余压头 HM 按照能量守恒的法则进行计算的CPHHp220=0000, ;,;2,28pppPHHCPCH HCCPHH= =顶注时底注时中间注入时 如 。LtgHM= 为保证金属液能够充满距离直浇道最远的铸件最高部位，铸件最高点离浇口杯内液面的高度必须有一最小值 HM，成为剩余压头。可以通过压力角核算剩余压头是否合理。 流量系数的确定 浇注系统计算中的流量系数，指的是阻流截面的流量系数。如果阻流不设在内浇道，则内浇道的流量系数小于浇注系统的流量系数。12浇注系统各组元断面比例数值得选择 浇注系统各组元断面比例的具体数据都是根据经验确定，没有统一的规定。习题 浇注系统有哪些组元构成？各组元发挥什么样的作用？ 按照不同的分类方法，浇注系统可以分为哪些类型？各种浇注系统的有何结构特点，以及在浇注过程中的主要优缺点是什么？ 说明浇注系统设计的过程。
