铸造浇注系统设计ppt课件.ppt

第七章浇注系统设计,本章主要讲授浇注系统类型的选择，浇注最小截面尺寸的计算，其它铸造合金浇注系统的特点。要求掌握浇注系统的选择原则。重点为浇注系统的选择原则和确定浇注位置，难点为浇注系统选择原则的灵活应用。,概述,浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道之总称,组成：浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道、内浇道,正确设计浇注系统使液态合金平稳合理的充满型腔，对铸件品质影响很大，铸件废品中的30%是因浇注系统不当引起。,浇注系统的组成,浇注系统设计原则,使液态合金平稳充满铸型，不冲击型壁和型芯，不产生涡流和喷溅，不卷入气体，并利于型腔内的空气和其他气体排出型外，防止金属液过度氧化及产生砂眼、冷豆、气孔。,阻挡夹杂物进入型腔，以免在铸件上形成渣孔。,调节铸型及铸件各部分温差，控制铸件的凝固顺序，不阻碍铸件的收缩，减少铸件的变形和开裂倾向。,合金液流不应冲刷冷铁和芯撑。防止冷铁的激冷效果降低及表面熔化，避免芯撑过早软化和熔化，造成铸件壁厚变化,浇注系统设计原则,浇注系统尽可能结构简单紧凑，占砂箱面积小，体积小，有利于减少冒口体积，节约合金和型砂，提高砂箱利用率，方便造型、清理和浇注系统模样的制造,使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；,起一定的补缩作用，在内浇道凝固前补给部分液态收缩,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。,第一节液态金属在浇注系统的流动,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,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；合金液冲刷型壁，粘度增大，体积收缩，吸收气体、使金属氧化等；,浇注过程是不稳定流动过程在型内合金液淹没了内浇道之后，随着合金液面上升，充型的有效压力头渐渐变小型腔内气体的压力并非恒定浇注操作不可能保持浇口杯内液面的绝对稳定,一、砂型流动的水力学特点,合金液在浇注系统中一般呈湍流状态,多相流动一般合金液总含有某些少量固相杂质、液相夹杂和气泡，在充型过程中还可能析出晶粒及气体，故充型时合金液属于多相流动,一、砂型流动的水力学特点,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。,二、浇口杯中的流动,浇口杯分类：漏斗形浇口杯、池盆形浇口杯,二、浇口杯中的流动,漏斗形浇口杯特点：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；应用：主要用在小型铸铁件及铸钢件，广泛用于机器造型。结构：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。,池盆形浇口杯特点：挡渣作用明显，但是制作程序复杂，消耗的金属较多应用：主要用于中大型铸铁件。结构：浇口盆的深度应该大于直浇道上端直径的5倍。,浇口杯中应避免出现水平涡流,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。,原因：水平各向流量不均衡造成流速方向的偏斜。,若忽略金属粘度的影响，视液态金属为理想流体，浇口杯内液态金属应满足动量矩守衡：Mvr=常量式中：M距离直浇道中心为r处的质点的质量vM点的切线速度rM点距离直浇道中心的距离。漏斗形等压自由液面的形成：一旦出现水平旋涡，越靠近中心，M质点的离心加速度越高，重力加速度和离心加速度的合成加速度越接近于水平，根据流体力学原理，等压面垂直于总加速度方向。等压面逐步由水平过度到垂直，形成中空的大气压力表面。对铸件质量的影响：卷气、渣沿等压面进入型腔。,影响水平旋涡的因素浇口杯中金属流股的水平分速度越大，越容易形成水平旋涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关：a浇口杯内液面的深度：液面深度超过直浇道上端直径的5倍时可基本消除水平旋涡。b浇注高度：浇包嘴离浇口杯越高，越容易产生水平旋涡。,c浇注方向：逆向浇注较顺向浇注为佳。纵向逆浇不易形成水平涡流，而纵向顺浇易将夹渣带入型腔；带底坎时，侧向浇注时金属液可能绕过底坎从另一侧进入直浇道形成水平涡流。,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,生产中减轻水平旋涡的措施a用大深度浇口杯b浇口杯底部安放筛网等,c在浇口杯底部设置堤坝，形成垂直旋涡。,垂直旋涡的挡渣作用：金属液沿斜壁流下，由于流速的减低和流向的改变，形成垂直方向的旋流。,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区范围内，且能急剧改变流股方向，形成使轻质点杂质上浮的流向。,a)合理b)不合理,d用拔塞等方法，使浇口杯内液面达到一定深度时再向直浇道注入,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，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，并一直保持浇口杯的液面高度。,浇口杯的结构设计1)浇口杯中金属液面的高度：H5d直上，而且浇口杯与直浇道要采用圆角连接,r0.25d直上；2)采用纵向逆浇，设置底坎、挡板和闸门等；3)采用特殊结构的浇口杯：拔塞式、浮塞式、铁隔片式、闸门式等；4）浇口杯与直浇道相连的边缘做成凸起状。,直浇道的功用：引导金属液进入横浇道、内绕道或直接导入型腔；提供足够的压力头，使金属液克服各种流动阻力，在规定时间内充满型腔。,三、直浇道中的流动,直浇道形状：常做成上大下小的锥形、等断面的柱形和上小下大的倒锥形。,（1）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。当气体被卷入型腔时而又不能顺利逸出时就会在铸件中形成气孔。,1）水模拟实验真空吸气理论实验条件：采用有机玻璃模型，制作浇口杯和直浇道两组元浇注系统，采用水模拟的方法，采用尖角、圆角连接形式，采用等断面和变截面的直浇道结构。,直浇道入口处的形状影响液流分布：尖角连接时直浇道内呈不充满流动；圆角连接时则为充满状态。,直浇道形状影响液流的内部压力：尖角连接时不充满，而且流股呈渐缩形，直浇道上口有真空区存在。,有锥度的直浇道呈充满状态，且呈正压流动，从直浇道上的小孔流水；而等断面的直浇道虽然也呈充满状态，但是却呈负压流动，吸入气体；,（1）液态金属在直浇道中的流动特点,直浇道的流动特点（1）两种流态：充满和不充满。非充满状态易带气，但在底注包浇注时或用阶梯浇注系统时采用。（2）非充满直浇道中金属液以重力加速度做等加速运动，流股必定向内收缩；流股内部与砂型表层气体之间无压力差，气体不可能被吸入，而是被金属表面吸收和带走。（3）直浇道入口形状影响金属流态。入口尖角时，增加流动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈充满流态，要求入口处圆角半径rd/4。（4）水利学模拟实验与砂型中实际流动状况有差异。（5）砂型中直浇道充满的理论条件。,26,2）真空吸气理论假设条件：浇注系统是由不透气材料制成；流体呈稳定流动，且为不可压缩流体；直浇道为等断面结构。如图所示，选择直浇道的出口2-2为分析的基准面，则伯努利方程可写为：其中，Z2=0，P2=Pa，整理得：,由于是稳定流动，根据连续流动定律，有：F1V1=F2V2，F1=F2，V1=V2则因为Z1远远大于h1-2，所以，（P2-P1）/0，P2P1，P2=Pa，PaP1。因此，真空吸气理论的分析可以得出结论：在直浇道中有真空度存在，流体经过浇注系统时要吸入气体。,1）、入口处的连接(与浇口杯连接处)采用圆角，一般要求入口处圆角半径rd4(d为直浇道上口直径)。这样可以减少气体的卷入和避免尖角型砂被冲掉引起冲砂缺陷。,直浇道结构设计,防止液流带入气体和冲砂，设计直浇道时应注意以下几点：,直浇道的形状上大下小的锥形即设计锥度,2）直浇道的形状,则：v2v1,可使P2S内实际情况：液态金属有粘度，流动阻力有较大的影响。S直：S横：S内=1:2.5:2.5时仍呈正压充满状态。,第二节浇注系统的基本类型及选择,1、浇注系统的分类,浇注系统常用的分类：根据各组元断面比例关系的不同：封闭式、开放式按内浇道在铸件上的相对位置不同：顶注式、中间注入式、底注式、阶梯式,二、封闭、开放式浇注系统,封闭式浇注系统阻流在一个浇注系统中截面积最小的浇道S内S横S直，例如1:1.2:1.5封闭式浇注系统可理解为正常浇注条件下，所有组元能被金属液充满的浇注系统，也称为充满式浇注系统。（因全部截面上的金属液压力均高于型壁气体压力，故是有压或正压系统）。优点：阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。缺点：进入型腔的金属液流速度高，易产生喷溅和冲砂，使金属氧化，使型内金属液发生扰动、涡流和不平静。应用：主要应用于不易氧化的各种铸铁件。对于容易氧化的轻合金铸件、采用漏包浇注的铸钢件和高大的铸铁件，均不宜使用。,开放式浇注系统S内S横S直；例如1.5:1.2:1在正常浇注条件下，金属液不能充满所有组元的浇注系统，又称为非充满式或非压力式浇注系统。在金属液流未能充满的部位存在着等大气压力的自由表面。完全开放式浇注系统在内浇道被淹没之前，各组元均呈非充满流态，几乎不能阻渣而且会带入大量气体。因此，使用转包浇注的铸铁件上不宜应用这种浇注系统。主要优点：进入型腔时金属液流速度小，充型平稳，冲刷力小，金属氧化轻。主要缺点：阻渣效果稍差，带入气体，金属消耗略多。,应用：轻合金铸件、球铁件等。漏包浇注的铸钢件也宜采用开放式浇注系统，但直浇道不能呈充满态，以防钢水外溢，造成事故。,3半封闭式浇注系统,这种浇注系统的特点是S横S直S内。即阻流截面是内浇道，横浇道截面积最大，直浇道一般是上大下小的锥形，浇注时，直浇道很快充满，而横浇道充满较晚，故可降低内浇道的流速，使浇注初期充型平稳，对铸型的冲击比封闭式的小；在横浇道充满后，因其中的金属液流速较慢，所以挡渣比开放式的好，但浇注初期在横浇道充满前，挡渣效果较差。适用于各类铸铁件，尤其球墨铸铁件及表面干型,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；,4、封闭开放式式浇注系统,特点：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，故浇注系统各组元的断面比例相应的存在以下关系,S杯S直S直S集渣包出口S阻S阻S内h有效，而不致于出现相邻两层同时进水的情况。但是h有效越小，F内（底层）越大，越容易造成底层过热，影响方向性凝固。,为使铸件上部有较高的温度，h有效=KH0，K=0.25-0.5因此:,根据顺序凝固的高低，可选取F内（上层）=（1-2）F内（底层）。,第六节垂直分型浇注系统的计算,垂直分型无箱造型的特点造型、浇注、冷却过程分型面呈垂直状态。一型多铸，底部铸件充型压力比顶部高几倍。形式底部开放式恒压等流量：充满式，以内浇道为阻流，每层铸件内浇道保持充型时的恒压且流量相等，各层型腔同时充满。,一、计算原理,计算：每个铸件内浇道的截面积：式中：一个铸件的质量充填一个型腔的时间Hp每个铸件的平均计算压头，简化处理，可用浇口杯上液面到内浇道中心的距离H0代替。诺谟图的用法：由上式计算。,2、设计要点保持以内浇道为阻流的强封闭式浇注系统严格控制浇注时间。如表7-18小的薄壁件可以浇注系统做冒口进行补缩。,144,铸钢件浇注系统的特点,熔点高，浇注温度高，钢液对砂型的热作用大，且冷速大，钢液流动性差，因此要求用较短的试件以较高的流速浇注。,第七节其它合金铸件浇注系统的特点,易氧化，应避免流股分散、激溅和涡流，保证钢液平稳地充满砂型,体收缩大，易产生缩孔、缩松，需按顺序凝固的原则设计浇注系统，并用冒口补缩,线收缩大，收缩时内应力大，产生热裂，变形的倾向也大，顾浇冒口设计应尽量减少对铸件收缩的阻碍。,1、铸钢件浇注系统,2、铸钢件浇注系统的设计原则,内浇道的位置应尽量缩短钢液在铸型内流动的路程，以避免铸件产生冷隔等缺陷,形状复杂的薄壁铸件的内浇道的设计，应避免钢液直接冲击型壁或砂芯,内浇道应避免开在芯头边界及靠近内冷铁、外冷铁、芯撑的地方。,需要补缩的铸件，内浇道应促使其顺序凝固,圆筒形铸件的内浇道应沿切线方向开设，使钢液在型内旋转，以利于钢液内的夹杂物浮进冒口,高大件则宜采用阶梯式浇注系统，为防止钢液过早从上层内浇道进入型腔，可使上层内浇道倾斜,保证钢液平稳注入铸型，避免钢液流互相碰击或乱流,浇注特点倾转包：挡渣效果差，用于流水线生产。底注浇包：俗称漏包。浇注系统必须是开放式。为浇注不同质量的铸件，可采用不同容量的浇包、不同包孔直径或采用塞杆阻流。浇注系统：结构简单、截面积大，充型快而平稳，流股集中，有利于顺序凝固，不阻碍铸件收缩。,3、铸钢件浇注系统的形式,4、底注包浇注系统（1）选择浇包容量及包孔直径浇包容量：总容量大于铸型内金属需要量。大于30T的浇包可设两个包孔。包孔直径：按照平均浇注速度。如表7-19,2)确定包孔直径,表3-12钢液流量qm值,式中S孔包孔截面积(cm2)；qm钢液流量（kg/s）；m孔包孔的消耗系数，取0.89；r钢液密度为0.0071kg/cm3；g重力加速度，980cm/s；H钢液在包中的高度（cm）。,按钢液流量qm值及钢液液面高度H可求出包孔直径d孔,表铸钢件浇注时间计算公式中的K值,浇注时间：按公式：及表7-20初步确定浇注时间。,（2）浇注时间和液面上升速度,浇注时间：,上一步中所求浇注时间是否合适，可用浇注时钢液在铸型型腔内的上升速度的验算,液面上升速度是否合适是获得优质铸件的重要因素之一，若验算结果数值小于表7-21中最小上升速度，就需调整浇注时间，改变平均浇注速度和包孔直径、增加包孔数量，采用两个浇包浇注和改变铸件浇注位置等工艺措施。,表钢液在铸型中的上升速度,（3）确定浇注系统各组元截面积,使用底注包浇注时，应采用开放式浇注系统，要满足S直S横S内的条件,各组元截面积比例关系：S孔:S直:S横:S内1:(1.82.0):(1.82.8):2.0-2.5,当使用耐火砖管时，可采用S直S横S内,根据包孔直径从表7-22、7-23、7-24中查出浇注系统各组元断面的尺寸,（4）补浇冒口的专用通道,大型铸钢件经常在冒口上设置补浇冒口的专用通道，以增加冒口补缩效率，减小冒口体积。专用浇道设置的高度要高于补浇前冒口内钢液的液面。若一个铸件要求多次补浇，专用浇道要相应的沿冒口高度设置。若一个铸件有多个冒口，为保证补浇时型腔内钢液不晃动，应将专用浇道连通，以便通过一个专用浇道就可同时向几个冒口内补浇钢液。,底注包浇注应用：只要知道底注包的内尺寸、出钢的吨位和渣量即可计算并描绘出底注包的浇注工艺特性曲线，确定q、h、m的对应关系。从而根据工艺尺寸来确定工艺参数。,5、转包浇注时的浇注系统,大量或批量生产的小型铸钢件，常采用机器造型，并用转包浇注，因此浇注系统必须有较好的挡渣能力，故采取半封闭式的浇注系统，内浇道的总断面积可按下式计算,式中t浇注时间（s）；,C为系数，见表7-25m浇经阻流断面的金属液总重量（kg）；L金属流动系数。对灰铸铁取1.0，高锰钢0.8，K浇注比速，K、C均由铸件的相对密度Kv=m/V确定，V铸件轮廓体积，见表7-25,浇注系统各组元截面积比例关系如下,根据浇经阻流断面的金属液总重量m和铸件相对密度查表7-26可得内浇道的总断面积，确定浇道尺寸。,轻合金的特点及其对浇注系统的要求特点：密度小、熔点低。不易产生夹砂类缺陷。容积热容量小而导热率大。降温快，宜快浇。化学性质活泼、易氧化、吸附气体。氧化物密度大。常见铸造缺陷：渣眼、浇不足、气孔、缩松、裂纹、变形等。对浇注系统的要求：流动平稳，不产生涡流、喷溅。适宜开放式低注浇注系统。常用垂直缝隙式或带缝隙的低注式浇注系统（如图）。,二、轻合金铸件的浇注系统,浇口比：小于20kg铸件20-50kg铸件大于50kg铸件设计原则：容许最小紊流程度为依据的阻流计算法。a根据实验确定轻合金充型时的最大允许雷诺数，如表3-4-16。,b根据雷诺数确定流入型腔的金属流量Q由得流量c计算阻流断面积由得d根据选取的浇口比，计算其它组元的截面积。e核算各组元的金属流速。,1、铝合金铸件浇注系统特点,要求铝合金的浇注系统充型平稳，无涡流，充型时间短，挡渣能力强，并有利于补缩,高度10不重要的小铸件可采用顶注式,一般都采用底注开放式或垂直缝隙式浇注系统,铝合金的特点是导热率大，流动过程中降温快,易氧化吸气，且氧化膜的密度与铝液相近，若混入铝液中就难以上浮,凝固收缩大，易产生缩孔、缩松,铸造生产中常用的铜合金是铝青铜、锡青铜和黄铜。铝青铜结晶温度范围窄，易产生集中缩孔；氧化性强，合金液面易产生氧化膜，铸件夹渣缺陷较多。多采用底注开放式浇注系统，并常配设滤渣网和集渣包。浇道位置应有利于冒口补缩或使浇道通过冒口注入,长套筒铸件可使用顶铸式雨淋浇道,短小圆筒、圆盘及轴瓦类铸件可采用压边浇道,复杂件，可采用带过滤网或集渣包的浇注系统,2、铜合金铸件浇注系统特点,黄铜：按顺序凝固的原则设计浇注系统。,锡青铜、磷青铜与铝青铜相反，其结晶温度范围宽，易产生缩松缺陷，氧化不强烈,浇注系统计算实例,Y38-1型滚齿机的支架，是带动滚刀刀架上下移动和支撑齿轮轴(传递动力给主轴的轴)的灰铸铁件，材质HT150，加工精度要求较高，铸件重量350N，轮廓尺寸为460369160mm，手工造型，干型干芯，转包浇注。铸件的浇注位置和分型面如图。铸件除顶面直径为100mm凸台处的壁较厚外（30mm），主要壁厚为12-15mm，有7个砂芯，属于形状复杂的薄壁小件,通过阻流断面的铁水重量G。铸件重为350N，压边冒口10N，故G=360N。浇注时间t。,流量系数。选择中型、中等阻力0.48。因有明冒口，减少了型腔内的气体压力，+0.1。因直浇道和横浇道的断面积弊内浇道断面积大很多，阻力损失减小，+0.2；因有两个内浇道，阻力增大，-0.05因此，流量系数：0.48+0.1+0.2-0.05=0.72确定平均压头Hp。其中,半封闭式浇注系统各组元的断面比可取为薄壁复杂铸件还需验算型腔内铁水液面上升速度。核实之后合适。,核算最小剩余压力头。HM=330-164mm=166mm。经过核实，可以得到轮廓清晰完整的铸件,生产厂的内浇道截面积为2