冒口设计参考.doc

冒口设计第一节冒口的种类及补缩原理冒口(riser，feeder head)是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。习惯上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。1. 冒口的种类 1. 通用冒口(传统) 1. 普通冒口 1. 依位置分类 1. 顶冒口2. 顶冒口2. 依顶部覆盖分类 1. 顶冒口2. 顶冒口2. 特种冒口 1. 依加压方式分 1. 大气压力冒口2. 压缩空气冒口3. 发气压力冒口2. 依加热方式分 1. 保温冒口2. 发热冒口3. 加氧冒口4. 电孤加热冒口、煤气加热冒口3. 易割冒口2. 铸铁件的实用冒口(均衡凝固) 1. 直接实用冒口(浇注系统当冒口)2. 控制压力冒口3. 冒口无补缩2. 冒口形状 冒口的形状有圆柱形、球顶圆柱形、长(腰)圆柱形、球形及扁球形等多种3. 通用冒口补缩原理 1. 基本条件 1. 冒口凝固时间大于或等于铸件(被补缩部分)的凝固时间2. 有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩，补偿浇注后型腔扩大的体积3. 在凝固期间，冒口和被补缩部位之间存在补缩通道，扩张角向着冒口2. 选择冒口位置的原则 1. 冒口应就近设在铸件热节(hotspot)的上方或侧旁2. 冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位。对低处的热节增设补贴或使用冷铁，造成补缩的有利条件3. 冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防组织粗大降低强度4. 冒口位置不要选在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹5. 尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件6. 冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好7. 不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开3. 冒口有效补缩距离的确定 冒口的有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质量要求的高低等多种因素有关，简称为冒口补缩距离 1. 铸钢件冒口的补缩距离有色合金的冒口补缩距离外冷铁的影响补贴(padding)的应用第二节铸钢件冒口的设计与计算 铸钢件冒口属于通用冒口，其计算原理适用于实行顺序凝固的一切合金铸件。通用冒口的计算方法很多，现仅介绍几种常用的冒口计算方法。 1. 模数法 A. 基本原理遵守顺序凝固的基本条件。 a. 冒口的凝固时间r应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间c。b. 冒口必须能提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积，使c. 缩孔不致伸入铸件内。A. 铸件形状系数的影响以Chvorinov公式为基础的模数法忽略了铸件形状对凝固时间的影响，而实际上，在其他条件（模数、合金、铸型等）相同时，球体件凝固时间最短，圆柱体次之，平板件最长。这一结论已被铸件凝固传热计算证明。铸件凸形表面的凝固层增长速度高于平面和凹形表面。说明铸件形状对其凝固和补缩有影响。 铸件形状系数（shape coefficent）q又名周界商，定义为铸件体积Vc与其模数Mc3之比值，即 qVc/ Mc3 (3-5-7) q值使铸件形状数量化，q值的大小表明了铸件形状的特征形状越接近于简单的实心球体，q值越小；反之，铸件形状越接近展开的大平板，q值越大。 实心球体件q值最小，这时qmin=113。而大平板件q值非常之大。生产中铸件的q值多在1135000范围内。在其他条件相同时，q值大则冒口补缩效率高。表3-5-7为保温冒口补缩效率和铸件形状系数q的关系。在设计和校核冒口时，q值大的铸件应选取冒口补缩效率的上限值。C. 设计步骤 1. 把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数Mc2. 计算冒口及颈的模数。3. 确定冒口形状和尺寸（应尽量采用标准系列的冒口尺 寸）。4. 检查顺序凝固条件，如补缩距离是否足够，补缩通道 是否畅通。5. 校核冒口补缩能力。D. 铸件模数的计算 铸件结构有的简单，有的复杂。复杂铸件总是由简单几何体与其相交节点所构成。所以，只要掌握简单几何体和其相交节点的模数计算方法，对任何复杂铸件均可应用模数法计算出冒口尺寸。 各种热节点的模数计算方法： 1）测定热节中心和平板中心的凝固时间 设铸件平板壁厚为T，凝固时间为，热节中心处凝固时间为j。拟订工艺之前，要进行浇注试验测定其凝固时间，故应用较少。 2）热节圆当量板（或杆）法 把热节部位视为以热节圆直径为厚度的板或杆件，见表3-5-8。 3）用一倍厚度法求热节模数 如图3-5-16所示，温度测定试验表明，离热节处一倍壁厚以外的温度，基本与壁体的温度相同。因此，以图示的阴影区作为计算热节模数的依据。此外还有其他方法。对于齿轮轮缘和辐板间形成的T形热节所进行的分析计算表明：一般情况下，一倍厚度法所得模数值稍大，热节圆当量杆法所得模数次之，用扣除散热面积法所得模数略小。总的来说，用上述不同方法计算出的模数值相近，皆能满足工艺设计的精度要求。 举例： 压实缸体铸钢件，简图如图3-5-17所示。分区计算模数如下： 缸底：直径400mm，侧面为非冷却面，可视为140mm的板件，M=d/2=7cm； 帽状部分视为板件，厚100mm，M=5cm； 缸体主壁部分：视为厚120mm的板件，M=6cm； 上部平板部分：厚80mm，板件，M=4cm； 120mm孔的四周部分：视为板件，厚80mm，M=4cm； 热节：缸体主壁与斜壁相交处，热节圆180mm，视为厚180mm的当量板，M=d/2=9cm。三次方程法三次方程法是模数法的延伸 ， 主要用于计算机辅助设计中。 原理 ： 补缩时冒口中的金属液不断进入铸件，冒口体积Vr和模数Mr逐渐减小。相对地，铸件体积Vc和模数Mc不断增大，理想的冒口设计应使补缩终了时的冒口模数和铸件模数相等，即保证冒口和铸件凝固时间相同。这样的冒口才是最节约的。据此有 （VrVc）/Ar=（VrVc）/Ac 合金的体收缩率； Ar、Ac冒口、铸件补缩终了时的散热表面积。 对普通冒口；近似地认为冒口散热表面积在补缩过程中无变化。 对不同形式的冒口，都可把冒口体积和表面积化为冒口几何尺寸的函数。例如，对圆柱形明冒口有： Vr=Bdr2/4，Ar=dr2/ （B+1/4）。 B是冒口高度hr与直径dr之比（B=hr/dr）。 把上述关系代入（3-5-9）中得 dr3K1Mc dr2K2Vc=0 （3-5-10） K1、K2常数，与冒口形式和合金体收缩有关。 对圆柱形冒口 K1=4（B+1/4）（1+）/B， K2=4/B。 公式（3-5-10）就是计算冒口直径dr的三次方程。 3. 补缩液量法基本原理是建立在两点假定基础上： 假定铸件凝固层增长速度与冒口的相等； 假定冒口内用的金属液体积（缩孔体积）为直径d0的球。 这样，当冒口高度和直径相等时，铸件中最大凝固层厚度为壁厚的一半，依假定，冒口中凝固层厚度也为铸件厚度之半，因而，冒口中缩孔球直径d0等于冒口直径与铸件厚度之差，见图3-5-18。d0=Dr-T Dr=T+d0 （3-5-11） 式中 Dr冒口直径； T铸件壁厚。 该方法还认为：直径为d0的球体积应等于铸件（被补缩部分）的总体收缩容积。应当说明，理论上，冒口中补缩球的体积应包括冒口本身的体收缩容积，而式（3-5-12）中未计入此值，可见这种计算方法，从假定到推算都是很粗略、有一定误差的。但实际应用中冒口高度都大于其直径，故安全系数足够大，补偿了计算的误差。根据一些工厂实践，使用效果良好，简单易算。 3. 比例法比例法是在分析、统计大量工艺资料的基础上，总结出的冒口尺寸经验确定法。我国各地工厂根据长期实践经验，总结归纳出冒口各种尺寸相对于热节圆直径的比例关系，汇编成各种冒口尺寸计算的图表。详见有关手册。比例法简单易行，广为采用。 现以常见的轮形铸钢件（如齿轮、车轮、皮带轮、摩擦轮和飞轮等）为例，介绍用比例法确定冒口尺寸的方法、步骤（见图3-5-19）。1.热节圆直径dy的确定 根据零件图尺寸，加上加工余量和铸造收缩率作图（最好按1：1），量出或算出热节圆直径dy（应考虑砂尖角效应）。 2.按比例确定轮缘冒口尺寸 （1）冒口补贴 按下列经验比例关系确定 d1=（1.31.5）dy R1=R件+dy+（13）mm R2=（0.51）dy =515mm （2）冒口尺寸 用下述比例关系计算： 暗冒口宽 B=（2.22.5）dy 明冒口宽 B=（1.82.0）dy 冒口长 A=（1.51.8）B （3）冒口补缩距离L=4dy，当两冒口之间距离超过此值时，应放冷铁或设水平补贴。 3.轮毂冒口尺寸 （1）轮毂补贴 依下列比例关系确定，轮毂补贴比轮缘补贴略小。 d1=（1.11.3）dy r的值待d1值确定后，按图作出。 （2）冒口尺寸 当轮毂较小时用一个冒口。 冒口直径D=2（1520）mm，2是轮毂外径。 冒口高度 H=（22.5）d1+r 当轮毂直径较大，需要设两个或更多的冒口才比较节约时，冒口尺寸应按轮缘冒口的确定方法计算。 由于各地区、各工厂的生产条件不同，所给出的经验比例也不完全一致。参照应用时要注意生产条件、铸件类型、合金成分等条件尽量一致。 3. 铸件工艺出品率的校核经过长期的生产统计，各种铸钢件的工艺出品率如表3-5-10所示，可供校核之用。 计算出的铸件工艺出品率若大于表3-5-10中的数值，说明所设计的冒口可能偏小；反之，可能偏大。应用普通冒口时，应视不同情况加以调整。采用比较简便的冒口计算方法时，容易出现偏差。显然，采用补缩效率高的冒口类型会导致高的工艺出品率。表3-5-9中的数据并非不许超越的。可以预料，随着技术进步和生产管理水平的提高，铸件的工艺出品率会逐渐提高的。上述四种冒口计算法中，比例法使用最简便，但比例系数范围较宽，需要丰富的实践经验才能准确地选择比例系数。相对地，模数法比较科学。除此之外，有关文献还介绍了其他计算法，均可供设计中参考。第三节铸铁件实用冒口的设计 一、铸铁的体收缩 灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁在凝固过程中，由于析出石墨而体积膨胀，且膨胀的大小、出现的早晚，均受冶金质量和冷却速度的影响，因而有别于其他合金。以球铁为代表，其凝固过程可分为：一次收缩（primary contraction）、体积膨胀（volume expansion）和二次收缩（secondry contraction）等三阶段（见图3-5-20）。特点为： 1）在凝固完毕前要经历一次（液态）收缩、体积 膨胀和二次收缩过程。 2）一次收缩、体积膨胀和二次收缩的大小并非确 定值，而是在很大范围内变化。液态体收缩系 数为（0.0160.0245）10-2/，体积膨胀 量为3%6%。 球铁凝固期出现的体积膨胀，许多文献中称为石墨化膨胀或缩前膨胀，但也有人认为不单纯是因奥氏体石墨共晶转变引起的。其一，体积膨胀温度开始的温度可高于共晶温度；其二，对石墨化膨胀所作的计算表明，每析出1%质量的石墨，铸铁体积增大0.89%0.95%。而实验数据表明，每析出1%质量的石墨，铸铁体积增大约2%。因而认为体积膨胀还与气体析出有关 影响铸铁的一次收缩、体积膨胀和二次收缩的大小、进程的主要因素是冶金质量、冷却速度和化学成分。 1.冶金质量的影响 冶金质量好的铸铁，在同样化学成分、冷却速度下，液态收缩、体积膨胀和二次收缩值都小，因而形成缩孔、缩松和铸件胀大变形的倾向小，容易获得健全的铸件。设计冒口时要密切注意现场铁液的冶金质量，它可以用试样的石墨球数来评定：从25.4mm厚（M=0.79cm）的Y形试样上取样作金相检查，以1mm2面积上的石墨球数为准，即当球数150个/mm2评为冶金质量好，90150个/mm2为 “中”，90个/mm2为差。还需注意影响冶金质量的其他因素，这些因素是： （1）炉料的组成及品质 高炉新生铁最佳，废钢次之，回炉料最差。新生铁本身的品质优或劣，对收缩、膨胀特性影响很大。 （2）炉型 经验表明，用冲天炉最佳，其次为反射炉、无芯感应炉，电弧炉最差。 （3）铁液的停留时间 铁液停留时间长，温度高（超过1500），降低冶金质量。 （4）孕育 孕育效果好，则有利于冶金质量。 2.冷却速度的影响 研究表明：对CE=3.80%3.84%、Si/c=0.460.52的亚共晶铸铁，冷却速度3/min（与测定平衡图时的冷却速度相近），冷却后奥氏体数量为20.5%（体积分数）（与用平衡图计算结果相近）。当把该铸铁的冷却速度提高到200/min时（与直径30mm球试样的干砂型冷却条件相当），对应初生奥氏体枝晶数量占44.6%（体积分数）。这和平衡状态相比，初生奥氏体数量增大到2.2倍，显然这会增加灰铸铁共晶前的体收缩。 冷却速度越大，铸铁的液态收缩、体积膨胀和二次收缩值也越大。在砂型铸造条件下，铸件冷却速度主要取决于铸件模数。对小模数的薄壁件，例如Mc2.5cm，就应安放冒口补缩。相反，大模数铸件，Mc2.5cm，凝固时间长、降温慢，对补缩要求低，创造适当工艺条件，甚至可用无冒口工艺。 3.化学成分的影响 碳、硅含量对球铁件缩松的影响如图3-5-21所示。虚线方块示出常用的碳硅范围，高于3.9+Si /7线的区域为致密区。可见碳量对消除球铁件的缩松比硅的作用强7倍之多。 二、实用冒口设计法 实用冒口（applied risering）设计法是让冒口和冒口颈先于铸件凝固，利用全部或部分的共晶膨胀量在铸件内部建立压力，实现自补缩，更有利于克服缩松缺陷。实用冒口的工艺出品率高，铸件品质好，成本低。它比通用冒口更实用。 实用冒口的种类及适用范围（以球铁为代表）如下所列。 （一）直接实用冒口（包括浇注系统当冒口） 1.基本原理 安放冒口是为了补给铸件的液态（一次）收缩，当液态收缩终止或体积膨胀开始时，让冒口颈及时冻结。在刚性好的高强度铸型内，铸铁的共晶膨胀形成内压，迫使液体流向缩孔、缩松形成之处，这样就可预防铸件于凝固期内部出现真空度，从而避免了缩孔、缩松缺陷。这种冒口又称为压力冒口。 图3-5-22示出：铸件模数大，则膨胀压力高。在同样模数下：球铁比灰铸铁的膨胀压力高。一个试验指出：强度很高的湿型，其抗压强度约为0.6MPa，模数为1cm的球铁件的膨胀内压就超过了其承压能力。对灰铸铁件，相应的模数为1.5cm。对于一般湿型铸造而言，只有很薄的铸件，球铁件模数小于0.48cm；灰铁件模数小于0.75cm，才适宜采用直接实用冒口。为了避免铸件膨胀压力超过铸型的承压能力而导致铸件胀大变形，产生缩松，要求采用干型、自硬型等高强度铸型。 2.冒口和冒口颈 （1）冒口体积 在平衡状态下，近似地认为铸铁的共晶温度是1150。对于共晶成分的铸铁液，从浇注温度tp冷却到共晶温度的体收缩率液，可用下式表示 液=液（tp/-1150）=（90+304.3）（tp/1150）10-6（3-5-15） 对于碳当量CE3.6的低碳铸铁，共晶前设先析出约30%（体积分数）的奥氏体，液态铁向奥氏体转变体收缩率为3%，这样就增加了30%3%=0.9%的体收缩率。从浇注温度（tp）冷却到共晶温度的体收缩率依下式计算： 液=（90+303.6）（tp/-1150）10-6+0.910-2 （3-5-16） 用上面二式得出的铸铁液态收缩率液和浇注温度tp、碳当量CE的关系如图3-5-23所示。此图所提供的数据是平衡状态的，而生产中不会出现平衡状态，铁液中的石墨质点，实际上在液态就存在并长大，发生体积膨胀；其次，在充型期间，铸件表层会形成薄的固体层，也会导致共晶膨胀。另一方面，随着冷却速度加快，会有大量初生奥氏体析出，从而加大了液态收缩。 冒口体积比铸件所需补缩的铁水量要大些。特别要注意：冒口的有效体积是高于铸件最高点水平面的那部分冒口体积，只有这部分铁液才能对铸件进行补缩。了更好地发挥直接实用冒口的补缩作用，推荐采用大气压力冒口的形式，在冒口顶部放置大气压力砂芯或造型时做出锥顶砂。 （2）冒口颈的计算原则是：铸件液态收缩结束或共晶膨胀开始时刻，使冒口颈及时冻结，为计算简便，设铸件形体简单，只有一个模数Ms。 对于形状简单的铸件，关键模数容易确定。对于复杂铸件，判断哪一部分作为关键部分困难了。这时应绘制模数体积份额图，这可有助于判定关键部分。关键部分应满足的条件是：它本身的体积膨胀量能抵偿所有更厚部分的液态收缩量，直到比它厚的部分开始膨胀为止。关键部分的膨胀和比它厚的部分的液态收缩只有同时发生，且是相互关联的，才可能相互抵偿。这也表示，更厚的部分也可以满足关键部分的要求。 由于直接实用冒口只补给铸件的液态收缩，有效补缩距离是无限的，因此用一个冒口可以带两个或更多模数不等的冒口颈。冒口颈的位置，可选在最关键部分或更厚的任何部分上。冒口设在最高部位能节约金属。 3.用浇注系统当冒口 对于薄壁的铸铁件，冒口颈很小，可用浇注系统兼起直接实用冒口的作用，内浇道依冒口颈计算，超过铸件最高点水平面的浇口杯和直浇道部分实质上就是冒口。由于湿型的承压能力所限，确定球铁件的模数小于等于0.48cm时，灰铸铁件模数小于0.75mm时，适宜采用浇注系统当冒口。 理论上，所有铸件都能用浇注系统当冒口，但当铸件较厚时把冒口和浇口分开，工艺出品率将提高。 仍用图3-5-24确定冒口颈（内浇道）的模数。但要注意浇温的控制，太冷的铁液浇注后常会导致液态收缩缺陷集中缩孔或表面缩凹。图3-5-24上的浇注温度应代表浇注后型内的金属温度。当浇注厚大件时，浇注温度和浇完后型内金属温度并无太大差别；而浇注薄小件时，浇注温度和浇完后型内铁液温度有显著不同。 因此，应以最低的浇注温度选择内浇道的模数。经验证明：薄小的石墨铸铁件中很少发现缩松，当用湿型时也如此。这与凝固时铸件截面上温度梯度大、更倾向于层状凝固方式有关。浇注系统当冒口的例子见图3-5-26，球铁件的壁厚9.5mm，关键模数0.475cm，内浇道模数0.4cm，浇温1320。 4.直接实用冒口的优缺点 主要优点： l）铸件工艺出品率高。 2）冒口位置便于选择，冒口颈可很长。 3）冒口便于去除，花费少。 主要缺点： l）要求铸型强度高。模数超过0.48cm的球铁件，要求使用高强度铸型，如干型、自硬砂型和v法砂型等。 2）要求严格控制浇注温度范围，25。保证冒口颈冻结时间准确。 3）对于形状复杂的多模数铸件，关键模数不易确定。为了验证冒口颈是否正确，需要进行试验。 如果生产条件较好，铸件形状简单，或铸件批量大，能克服上述缺点，则应用直接实用冒口能获得较大的经济效益。 （二）控制压力冒口 l.基本原理 控制压力冒口适于在湿型中铸造Mc2.5cm的球墨铸铁件。示意图见图3-5-27。安放冒口补给铸件的液态收缩，在共晶膨胀初期冒口颈畅通，可使铸件内部铁