第3篇 铸造工艺方案的确定.ppt

第3篇铸造工艺及工装设计 第1章铸造工艺设计概念第1节概念 设计依据 内容 程序1 1概念 概念 根据零件结构 技术要求 生产特点和车间生产条件确定铸造工艺方案和工艺参数 绘制工艺图 编制工艺卡及有关技术文件的过程 目的 使整个工艺过程具有更高的技术经济效益 1 1 2设计依据 生产任务a铸造零件图样b零件的技术要求c产品的数量及生产期限 生产条件a设备能力 吨位 尺寸b车间原材料的应用和供应情况c工人技术水平和生产经验d工装 模具的制造能力 经济性 2 1 3设计的内容和程序内容 工艺图 铸件毛坯图 工艺卡 操作工艺规程 工装设计 程序 举例说明 审图 初步方案 讨论 确定 设计 具体内容见表3 1 1 会签 修改 生效 3 4 第2章铸造工艺方案的确定主要内容 造型 造芯方法的选择铸型种类的选择浇注位置 分型面的设计分芯方法浇注系统的设计相关工艺参数的设计 5 第1节铸件结构的铸造工艺性 铸件的设计 a功用设计b根据铸造工艺特点 简化设计c冶金设计d经济性 审图a对铸造工艺的适应性b在既定结构前提下产生缺陷的可能性 6 1 1从避免铸造缺陷方面审核铸件结构 1 铸件壁厚合理 最小壁厚 见表3 2 1 正确处理壁厚与承载能力的关系 7 2 铸件结构不应造成收缩受阻 注意过渡和圆角 8 3 铸件内壁薄于外壁 以使冷却均匀 见如下图与表3 2 2 9 4 壁厚均匀 必须考虑加工余量 10 5 利于补缩和实现顺序凝固对于收缩大的合金铸件 易形成收缩缺陷 应尽量使铸件结构有利于按顺序凝固的原则 如图 铸件改进后 增加了补缩扩张角 延长了补缩距离 11 6 防止翘屈变形 12 7 避免浇注位置上有水平的大平面结构 大水平面容易造成冷隔 浇不足 夹砂 渣孔等缺陷 13 1 2从简化铸造工艺方面考虑和改进铸件结构 1 改进妨碍起模的凸台 14 2 取消铸件外侧凹 15 3 改进铸件内腔 或结构 以减少砂芯 16 4 减少和简化分型面 17 18 5 有利于砂芯的固定和排气 19 6 减少清理铸件的工作量 7 简化模具的制造 20 8 大型复杂件的分体铸造和小型简单件的联合铸造 21 第2节造型 造芯方法的选择基本原则 1 先选用湿型 在选用湿型时 考虑以下情况 a可否承受金属静压力b若有大水平面时 易引起夹砂类缺陷c造型过程过长或需长时间等待浇注的砂型不宜用湿型 湿型易风干 表面强度下降 d型内放置冷铁较多时 避免使用湿型 或预热冷铁 及时浇注 e湿型不可靠时 可用表干型 根据铸件的大小和壁厚 烘干深度在15 80mm 22 2 造型 制芯方法应和生产批量相适应 大批量 要求精度高 生产效率高 造型选用机械化 自动化程度高的方法 如高压造型 气冲造型线 实型造型线 制芯可用冷芯盒 热芯盒 壳芯 中等批量 树脂自硬砂造型 芯 抛砂机造型 单件小批 手工造型为主 方法灵活 适应性强 工装简单 3 造型方法应适合工厂条件包括工厂的设备条件 技术水平 管理水平 4 兼顾铸件的精度和成本 23 第4节浇注位置的确定浇注位置 浇注时铸件在型内所处的位置和状态 在造型方法选定以后确定 可以与造型位置 冷却位置不同 重要性 简化工艺 提高质量 改进效率和效益 类型 以浇注时分型面所处的位置分为水平浇注 垂直浇注 倾斜浇注 依据 合金种类 造型方法 铸件结构和技术要求 生产条件 首先确定铸件的重要部位根据生产条件估计废品倾向和缺陷部位使重要部位处于有利位置 并有利于实现即定的凝固原则 24 基本原则 1 重要部分置于下部 静压力较大 有利于补缩 组织致密 2 重要加工面朝下或处于垂直状态 25 3 铸件的大平面朝下 避免夹砂类缺陷 大的平板件可倾斜浇注 以增加液面上升速度 26 4 保证充满 薄壁部分放在下部或内浇道下方 27 5 有利于铸件补缩 28 6 型芯易于安放 29 7 尽量使合箱位置 造型位置 浇注位置 冷却位置一致 O 第4节分型面的选择分型面 两半铸型相互接触的表面 目的 取出模样 一般设置在铸件投影面积最大处 重要性 影响铸件精度和生产率 图3 2 26 30 基本原则 1 应使铸件大部分置于同一半型内 特别是加工面和基准面 31 2 尽量减少分型面的数目 分型面多 操作复杂 飞边多 垂直方向厚度增加大 精度不容易保证 对机器造型 只允许一个分型面 不能出砂处用砂芯 不能用活块 但对于大型复杂件 采用多分型面的劈箱造型 方便操作 有利于保证质量 32 33 3 分型面应尽量选用平面 34 4 便于下芯 合箱和检查型腔尺寸 35 5 避免砂箱过高 机器造型 砂箱的高度受造型设备的限制 手工造型 砂箱过高 填砂 紧实 起模 下芯困难 可用多分型面控制 6 不削弱铸件的强度 36 合理截面易产生偏差 7 注意减轻铸件清理和机械加工工作量 37 本章重点 铸件结构工艺性的识别选择铸造方法的基本原则浇注位置 分型面设计的基本原则 38 实践训练 指出下列铸件结构的问题 并修改 39 a b 40 选择下列单件小批生产铸件的铸造方法 浇注位置 分型面 41 第3章砂芯设计及铸造工艺参数设计砂芯设计砂芯应满足 形状 尺寸与铸件要求相符 定位正确 安装牢靠 出气顺畅 不阻碍铸件收缩 容易清砂 1 1确定砂芯形状及分盒面的基本规则 42 1 保证铸件内腔尺寸精度尺寸要求较严部分尽量由同一半芯形成 特殊要求部分分芯 2 保证操作方便 例 43 3 保证铸件壁厚均匀 44 4 尽量减少砂芯数目 例 用砂胎 活块 45 5 填砂面应宽敞 烘干支撑面是平面 例 46 6 砂芯形状适应造型 制芯方法 1 2芯头设计几个概念芯头 指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分 芯座 对应于芯头的砂型部分 芯头 芯座的作用 定位 支撑 出气 分类 垂直 水平 47 48 芯头的工艺参数 组成 49 a芯头长度 高度 满足定位 支撑 出气要求 不可太长 依据JB T5106 91或厂标 几点注意事项 50 b芯头斜度留斜度是为造型 取芯 合箱 下芯方便 上芯头大于下芯头 c芯头间隙为方便下芯 大小取决于铸型种类 砂芯大小 精度及芯座精度 d压环 防压环和积砂槽压环 只适用于机器造型 在上模样上车削沟槽 造型后形成压紧砂环 防止液态金属钻芯头 防压环 使靠近型腔表面的砂型不受压力 积砂槽 存放个别洒落砂粒 51 特殊定位芯头 52 第2节铸造工艺参数设计2 1铸件尺寸公差 铸件基本尺寸 包括零件公称尺寸和机械加工余量 如图 公差带应对称分布 公差概念 铸件各部分尺寸允许的极限偏差 取决于铸造方法 设备等 53 标准 GB6414 86等效于ISO8062 1984 铸件尺寸公差制 包括铸件基本尺寸公差和错箱值 由精到粗分16级 命名为CT1到CT16 铸件尺寸公差等级比例系数 CT3 CT13采用 CT13 CT16采用 CT1 CT2两级空出 见表3 3 1 选用 根据铸造方法和生产批量 按照GB6414 86 影响铸件精度的因素铸造方法 铸件结构 模具的类型和精度 合金种类和成分 造型材料的种类和品质 技术和操作水平 标注 GB6414 86CT10 壁厚尺寸公差比一般尺寸公差降一级 54 2 2铸件质量公差 铸件公称质量 包括加工余量和其它余量 质量公差的概念 以占铸件公称质量的百分率为单位的铸件质量变动的允许值 标准 GB T11351 89规定了公差的数值 确定方法和检验规则 与铸件尺寸公差标准GB6414 86配套使用 确定和选用 公称质量的确定质量公差的选用 与尺寸公差GB6414 86一致 即CT10对应MT10 上下偏差一般相同 特殊要求可协商 数值见表3 3 2 标注 GB T11351 89MT10 8 55 2 3机械加工余量 机械加工余量 在设计铸造工艺时预先增加的 而后又在机械加工时被切除的金属层厚度 简称加工余量 加工余量过大 浪费金属和加工工时并降低表面性能 过小 降低刀具寿命 不能完全去除铸件表面缺陷 达不到设计精度要求 与尺寸公差的关系 如图3 3 12 最小加工量等于加工余量减去铸件尺寸的下偏差 因此 铸件尺寸公差越小 加工余量可越小 影响因素 合金种类 工艺方法 生产批量 设备工装水平 加工面所处的位置 铸件基本尺寸的大小和结构 标准 GB T11350 89与尺寸公差标准配套使用 其代号用MA表示 由精到粗分A B C D E F G H J九个等级 选取 按有加工要求表面的最大基本尺寸和该表面距它的加工基准尺寸二者中较大的尺寸选取 相对于浇注位置 铸件顶面的加工余量应比底面 侧面降一个等级 见表3 3 3 3 3 4 3 3 5 例 表3 3 6 标注 GB T11350CT MA 级 56 2 4铸造收缩率 定义 K Lm Lj Lj 100 式中 Lm模样 或芯盒 工作面的尺寸Lj铸件尺寸 目的 确定模样和芯盒的尺寸 影响因素 合金成分 冷却条件 铸件结构 涂料等 选用 见表3 3 7 经验 试验 2 5起模斜度 目的 方便起模 取芯 概念 在平行于出模方向 垂直于分型面或分盒面方向 上所增加的斜度 一般设在铸件没有结构斜度的垂直面上 57 设计要点 a斜度值见有关标准 如JB T5015 91b小于产品图纸规定值 c内外壁的模样和芯盒取值大小 方向尽量一致 d非加工面上要注意与相配零件一致 e形式见图3 3 13 正 负或正负 f原则上不超过壁厚公差 58 2 6最小铸出孔和槽 表3 3 8 2 7工艺补正量用于单件小批生产 避免局部厚度小于图样要求 59 2 8分型负数 概念 模样上在分型面处应该减去的尺寸 目的 弥补分型面处的颠料 影响因素 砂箱 铸件的尺寸 砂型类型 填料种类 60 2 9反变形量 概念 做模样或芯盒时 在铸件可能产生变形的反方向作出的反变形量 影响因素 铸件结构和尺寸 合金种类 工艺条件 包括浇注温度 砂型刚度等 变形方向的判定 反变形量的形式和大小 61 2 10砂芯负数 只用于大型粘土砂芯2 11非加工壁厚的负余量 用于手工粘土砂造型 2 12分芯负数 大砂芯的接缝处 本章重点 砂芯设计的基本原则 主要铸造工艺参数的意义 作用 设计 有关标准 62 实践训练 设计下列单件小批生产铸件的工艺 包括工艺参数 63 第4章浇注系统设计 浇注系统 铸型中液态金属流入型腔的通道 组成 浇口杯 又称外浇口 直浇道 横浇道 内浇道等 如图 64 基本要求 1 内浇道设置符合铸件凝固原则和补缩方法 2 在规定的浇注时间内充满型腔 3 提供必要的充型压头 保证铸件轮廓 棱角清晰 4 使金属液流动平稳 防止紊流 卷气 金属氧化 5 具有良好的阻渣能力 6 金属液进入时速度不可过高 避免飞溅 冲刷 7 保证金属液面有足够的上升速度 避免夹砂结疤 浇不足 8 不破坏冷铁 芯撑的作用 9 金属消耗量小 并容易清理 10 减少砂型体积 造型 制模简单 65 66 第1节液态金属在浇注系统基本组元中的流动1 1在砂型中流动的水利学特点 流体力学原理 可参阅卡塞博士箸 球墨铸铁浇口和冒口 04浇口原理 1 帕斯卡 Pascal 定律在一个静止而且相互连通的容器中 在一给定的水平面上各点的压力是相等的 等于该给定的水平面致液体顶部的垂直距离乘以液体的密度 加上外部压力 P P h 2 伯努利 E Bernoulli 方程 能量守衡定律 在封闭系统中移动的流体由三种不同的能量组成 位能 用位于距离基准面以上i处的单位体积的流体来表示 基准面位置任选 EP i m 67 压能 作用在单位体积流体上的压力来表示 EP p m p质量压力 kg m2 金属密度 kg m3 动能 用单位体积的流体以速度v移动时的动量来表示 EK v2 2g定理 在一封闭系统中 单位质量流体所携带的总能量是不变的 但其位能 压能 动能可以互换 i1 p1 V12 2g i2 p2 v22 2g柏努利方程 3 托里拆利 Torricelli 定理是伯努利方程的一种特殊应用 如图 在一个流体高度h不变的容器里在i 0的水平面处有一孔口 应用伯努利方程 i h v 0 为大气压力 68 i 0 i 0 得 这是设计浇注系统最重要的根据之一 4 连续流动定律单位时间内流经任一给定断面的系统时 流体的体积是常量 因此流速随着横截面积减少而增大 A1v1 A2v2 5 雷诺 Reynold 数Re Dv Re 2320为紊流 实际流动特点 1 流动通道多孔 透气 与金属液不润湿 充满与否取决于内外压力差 如图 69 2 充型伴随着热作用 机械和化学作用 3 浇注过程是不稳定流动 4 合金液在浇注系统中呈紊流状态 5 多相流动 固相杂质 气相夹杂 70 1 2浇口杯中的流动 浇口杯的作用 1 承接来自浇包的金属液 防止飞溅和溢出 便于浇注 2 减轻对直浇道底部和侧壁 型腔的冲击 3 分离渣及气泡 防止其进入型腔 4 增加充型压头 结构形式 漏斗形 bush 挡渣效果差 结构简单 盆形 basin 71 结构形式 漏斗形 bush 挡渣效果差 结构简单 盆形 basin 72 水平涡流水平旋涡是危害浇口杯全面发挥功能的重要原因 原因 水平各向流量不均衡造成流速方向的偏斜 73 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 74 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口直径的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 75 c浇注方向 逆向浇注较顺向浇注为佳 76 生产中减轻水平旋涡的措施 a用大深度浇口杯 b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 c浇口杯底部安放筛网砂芯等 77 d在浇口杯底部设置堤坝 形成垂直旋涡 78 垂直旋涡的挡渣作用 如图 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 79 1 3直浇道中的流动 直浇道的功用 1 引导金属进入横浇道 内浇道或型腔 提供足够的压头 真空吸气理论 等截面直浇道附近型砂中的气体会被吸入液流 溶于液态金属中的气体也会因压力降低而析出 80 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 增加流动阻力和端面收缩率 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r d 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 81 1 4直浇道窝 作用 1 缓流作用 动能 压力能 水平流速 2 缩短直 横拐弯处的高度紊流区 3 改善内浇道的流量分布 使之更均匀 4 减小直 横浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失 5 浮出金属液中的气泡 82 结构 如图侧壁在能顺利拔模的条件下尽量垂直 转角处避免尖角 底面作成平面 83 1 5横浇道中金属的流动 横浇道的作用 1 向内浇道分配洁净金属 2 储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣 3 使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物 横浇道的阻渣原理阻渣条件 渣团上浮到横浇道顶部超过内浇道吸动区 84 上浮阻力 F CS V2 2式中 F 渣团上浮阻力 液态金属的密度S 渣团的水平投影面积V 渣团上浮速度C 渣团上浮阻力系数 与液体雷诺数有关 见表3 4 1 85 渣团临近上浮速度 阻力F 浮力时的速度 式中R 渣团半径 金属液密度 渣 渣团密度g 重力加速度v0 渣团临近上浮速度 又称悬浮速度 86 金属液的悬浮速度 当金属液流速 与上浮速度反向 等于渣团的临近上浮速度时的速度总结 a渣团半径小 对应悬浮速度也越小 b对应一定横浇道的流速有一可能上浮的临近渣团半径 只有大于临近半径的渣团才能上浮 c渣团密度相对于金属液密度越小 越有利于上浮 d横浇道内金属的流速越低 可能阻流的渣团也越小 横浇道发挥阻渣作用应具备的条件 1 横浇道应呈充满状态 内浇道的截面 位置 2 流速应尽量低 3 内浇道的位置关系要正确 87 a内浇道距离直浇道应足够远 使渣团上浮到吸动区上部 b有正确的横浇道末端延长段 以容纳初流金属液 吸收液流动能使金属液平稳 防止液流折返 88 c封闭式浇注系统的内浇道应位于横浇道的下部 且和横浇道具有同一底面 开放式浇注系统的内浇道应重叠在横浇道之上 且搭接面积要小 但大于内浇道横截面积 89 d封闭式浇注系统的横浇道应高而窄 内浇道宜扁而宽 e内浇道应远离横浇道的弯道 应尽量使用直的横浇道 内 横浇道连接一般为垂直 a d 错误 强化横浇道阻渣的措施 1 在浇注系统中设置筛网芯 过滤网 90 2 设置集渣包齿形集渣包 离心集渣包 设计尺寸 91 1 6在内浇道中的流动 内浇道的作用 控制充型速度和方向 分配金属 调节铸件各部分的温度和凝固顺序 浇注系统的金属液通过内浇道对铸件进行补缩 浇口比对浇注过程的影响浇口比 92 内浇道流量的不均匀性远离直浇道的内浇道流量最大 93 94 减小内浇道流量的不均匀性的方法a缩小远离直浇道的内浇道的截面积 b增大横浇道的截面积c严格 每流经一个内浇道 比值依次减小 d设置直浇道窝 内浇道设计的基本原则 1 内浇道在铸件上的位置和数目应服从所选定的凝固顺序或补缩方法a同时凝固 内浇道在薄壁处 数量多且分散分布 b顺序凝固 内浇道开在厚壁或冒口处c复杂铸件 采用顺序凝固与同时凝固相结合的原则 2 方向不要冲着细小砂芯 型壁 冷铁和芯撑 3 内浇道应尽量薄 4 对薄铸件可用多内浇道的浇注系统实现补缩 5 内浇道避免开设在铸件品质要求很高的部位 6 各内浇道中金属液的流向应尽量一致 7 尽量开在分型面上 8 对收缩大易裂纹的合金铸件 内浇道的设置不应阻碍收缩 95 第2节浇注系统的基本类型及选择2 1浇注系统的充满理论 砂型浇注系统的充满条件 1 推导在横浇道任一截面r r和内浇道入口处i i截面用伯努力方程 2 式中 为r r至i i截面间的流动阻力系数若横浇道充满 r r截面最高点的压力应高于型壁界面的压力 96 3 同理 内浇道最高点处的压力应等于型腔内气体压力 近似等于 4 将 4 代入 3 5 将 2 5 化简 6 97 代入连续流动定律 为r r截面上流体的截面缩小系数 并应用托利拆里方程 H为浇注系统总压头 内浇道的流量系数 得横浇道充满条件 98 同理得直浇道的充满条件 传统理论 把液态金属视为理想液体 全部阻力系数等于零 流量系数为1 充满条件为S直 S横 S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 99 2 2封闭 开放式浇注系统 1 封闭式浇注系统 chokedrunningsystem pressurizedsystem 概念 在正常浇注条件下 所有组元都能为金属液充满的浇注系统 类型 内浇道阻流 部分扩张 S内 S阻 1 5 2 5 优点 阻渣效果好 防止卷气 消耗金属少 清理方便 缺点 喷溅 冲砂 金属氧化 流动不平稳 应用 不易氧化的各类铸铁件 不宜用于易氧化的轻合金 漏包浇注铸钢件和高大的铸铁件 充型压力很大 2 开放式浇注系统 unchokedrunningsystem unpressurizedsystem 概念 金属液不能充满所有组元的的浇注系统 一般S内 S阻 3 优点 进入型腔金属液流速小 平稳 氧化轻 缺点 阻渣效果差 带入气体 金属消耗大 注意 一般阻流设置在直浇道下端或靠直浇道的横浇道上 应用 轻合金 球铁件 漏包浇注铸钢也可采用 但直浇道不能充满 以防钢液外溢 100 2 3按内浇道在铸件上位置的分类 1 顶注式浇注系统 topgatingsystem 概念 以浇注位置为基准 内浇道设在铸件顶部 优点 a充型容易 减少冷隔 浇不足 b有利于自下而上顺序凝固和补缩 c冒口尺寸小 节省金属 d结构简单 便于清除 缺点 a易造成冲砂 b下落时氧化 飞溅 不平稳 产生铁豆 气孔 夹渣 c横浇道阻渣效果较差 因大部分时间内浇道处于非淹没状态 101 形式 简单式 楔形式 压边式 雨淋式 搭边式 102 2 底注式浇注系统 bottomgatingsystem 概念 内浇道设在底部 优点 a冲型平稳 b避免金属液飞溅氧化 c无论浇口比多大 横浇道基本充满 挡渣效果好 d型腔气体容易排除 缺点 a温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩 b内浇道处易过热 造成缩孔 缩松 晶粒粗大 c金属液面上升中易结皮 形成浇不足 冷隔 d金属消耗较大 103 形式及应用 a基本形式 用于容易氧化的有色金属 形状复杂要求高的钢铁铸件 b牛角式 horngating 用于各种铸齿齿轮和有砂芯圆盘 c底雨淋 用于内表面要求高的圆筒类铸件 104 3 中间注入式 partinggate 概念 在铸件某一高度上开设浇注系统 特点 a兼有顶 底注式的优 缺点 b开设方便 可在分型面上开设 应用 高度不大的中等壁厚铸件 105 4 阶梯式浇注系统 steppedgating 概念 在铸件不同高度上开设多层内浇道 优点 a冲型平稳b排气顺利 c温度梯度有利于补缩 d减轻内浇道局部过热 缺点 a造型复杂 b若设计不正确出现 乱浇 应用 中大型高度大的铸件 具有垂直分型面的铸件优先采用 106 形式 a多直浇道阶梯式 b用塞球法控制的阶梯式 c控制组元比例的阶梯式 d带反冲或反直浇道的阶梯式 107 第3节计算阻流截面的水利学公式3 1奥赞公式 在浇口杯顶面和内浇口 阻流截面 用伯努利方程 108 式中 H0阻流以上金属液的总压头v阻流处金属液的流速g重力加速度 hr金属液流经浇注系统时压头损失总和 i局部阻力系数Si测定 i时指定的某处截面积 S阻阻流截面积 109 得到 其中 充填下半型时S阻的计算充填下半型腔时 通过阻流截面的金属质量和浇注时间有如下关系 110 式中 m下阻流以下铸件质量 金属液密度 1充填下半型时间 流量系数 它代表实际金属液的流量与理想流体流量之比值 充填上半型时的计算 充填上半型时 阻流处流速随充型压头而变化 最大流速最小流速 111 在上半型充填时间 2内 存在着瞬间 对应压头为h平均时 阻流处流速为 充填上半型时 通过阻流的金属质量和充填时间之间应有如下关系 112 得到 阿暂公式将两个计算的公式合并为一个通式 即阿暂公式 113 式中 m流经阻流的金属总质量 充填型腔的总时间 充填全部型腔时 浇注系统阻流截面的流量系数Hp充填型腔时的平均计算压头 114 式中 Hp平均计算压头Ho阻流截面以上的金属压力头P阻流截面重心以上的型腔高度C铸件 型腔 的总高度 注意a该公式适用于封闭式浇注系统b推导Ho时引入两个假定条件 与实际情况有差距 c应用伯努力方程时 忽略了浇包嘴到浇口杯之间下落动能的影响 3 2浇注时间 速度 1 快浇与慢浇的特点 快浇优点 金属温度和流动性降低幅度小减小皮下气孔 对上表面热作用时间短 可减小夹砂结疤缺陷 有利于石墨铸铁充分利用石墨化膨胀 防止缩孔 缩松缺陷 缺点 冲击大 工艺出品率低 115 应用 薄壁 或上部有薄壁铸件 具有大平面铸件 表皮易形成氧化膜的铸件 底注式浇注系统 顶部有冒口 中大型灰铸铁 球墨铸铁件 慢浇优点 冲刷作用轻 有利于型 芯 内气体排出 对收缩率大的合金采用顺序凝固 冒口补缩工艺可减小冒口的尺寸 缺点 对上表面烘烤时间长 易产生夹砂类缺陷 温度 流动性降低幅度浇大 易浇不足 冷隔 降低流水线生产率 应用 有高的砂胎或吊砂的湿型 型内砂芯多 大或排气困难 顶注法浇注体收缩大的合金铸件 116 2 合适浇注时间的确定 确定依据铸件结构 铸型工艺条件 合金种类 浇注系统类型 经验数据铸铁 铸钢件 表3 4 3球铁件 图3 4 34 117 其它经验公式 式中 浇注时间 t m铸件或浇注金属的质量 kg 铸件壁厚A B p n系数 见下表 118 3 3确定浇注时间时的金属液上升速度因素 工艺因素浇不足 冷隔夹砂类缺陷气体的溢出金属液的氧化 型内金属液面的上升速度计算公式 式中 C铸件 或某段 的高度 铸件 或某段 的浇注时间 119 满足的条件 浇注时间应满足 120 金属液上升速度的核算和确定铸铁件 见表3 4 6 只核算最小上升速度 铸钢件 见表3 4 7 只核算最小上升速度 易氧化合金 式中 R型腔的水利学半径 Re型型腔内允许的金属液雷诺数 用实验法确定 合金液的运动粘度 121 122 3 4流量系数 的确定 重要性 决定着阻流截面是否合适 影响因素 浇注系统的结构 尺寸 浇口比 铸件的复杂程度 铸型条件 合金特性 浇注温度 确定方法水利模拟实验法 用于重要件或大批量生产的铸件 经验数据法球墨铸铁 图3 4 45 表3 4 8及3 4 10铸钢 表3 4 9 123 124 125 第4节铸铁件浇注系统设计与计算4 1设计步骤 选择浇注系统类型 确定内浇道在铸件上的位置 数目 引入方向 决定直浇道的位置和高度高度 一般等于上砂箱高度 式中 HM最小剩余压力头L直浇道中心到铸件且最远点的水平投影距离 压力角 大小依据下表要求 126 127 位置 在横 内浇道的对称中心点上 流程短 流量均匀 踞第一个内浇道应有足够的距离 计算浇注时间并核算金属上升速度重点是最大截面处型内金属液的上升速度 计算阻流截面考虑增重3 7 确定浇口比 并计算各组元截面积 按表3 4 12 绘出浇注系统图 128 4 2阶梯式浇注系统的计算 形式多直浇道 同一般浇注系统 但要精确计算每层注入量 其它 控制组元比例 缓冲直浇道 实现分层注入的条件a各层分直浇道呈非充满状态b分直浇道中液态金属自由液面以下的有效压头应小于两层内浇道之间的距离 计算原理及步骤先封闭后开放 129 a阻流截面的计算 如图 若铸件低于阻流截面 130 若铸件高于阻流截面其中 计算平均压头 131 b分配直浇道截面积分配直浇道截面积等于1 2倍阻流截面积 c每层内浇道的总截面积通过阻流截面的流量通过低层内浇道的流量 132 设 K推荐0 25 0 5 则低层内浇道截面积 上层内浇道截面积 根据顺序凝固要求的高低为底层截面积的1 2倍 133 4 3垂直分型浇注系统的计算计算原理 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 134 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 135 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3 4 13 小的薄壁件可以浇注系统做冒口进行补缩 136 137 3 设计方法举例 草拟模板布置图 初步确定各层铸件内浇道的金属压力头 计算型内金属质量 根据型内金属质量确定浇注时间和浇注速度按表3 4 13为8s 充填每个型腔的时间为8 2 6s 138 选用浇口杯用表3 4 14经验数据 根据浇注方式和浇注速度 计算内浇道截面积取 0 5 分直浇道截面积 水平横浇道尺寸 139 第5节其它合金铸件的浇注系统5 1铸钢件的浇注系统 铸钢的特点熔点高 流动性差 收缩大 易氧化 力学性能对夹杂物敏感 钢渣较稀 浇注特点倾转包 挡渣效果差 用于流水线生产 底注浇包 bottompouringladle 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 140 底注包浇注系统的经验计算 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3 4 15 2 浇注时间和液面上升速度浇注时间 按公式 及表3 4 4初步确定浇注时间 141 平均浇注速度式中 液面上升速度 大于表3 4 7中规定的最小上升速度值 改进措施 3 其它组元截面积为加强冒口的补缩效果 常在每个冒口的下部设置内浇道 使浇注系统更加开放 不受以上比例的限制 142 利用底注包浇注工艺特性曲线传统计算法的缺点 浇注速度采用平均值与实际情况不符 所设计浇注系统不精确 底注包的浇注工艺特征 浇注速度q 浇包内存钢液m 累计浇注时间 和浇包内金属压力头h之间的特定流体力学函数关系 每一只确定的浇包都可用一组方程表示其浇注工艺特征 见公式3 4 42 43 44 45 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 143 144 5 2轻合金铸件的浇注系统 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 浇口比 145 146 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 16 147 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 148 5 3铜合金铸件的浇注系统 铝青铜 底注 开放 滤渣网 集渣包 锡青铜和磷青铜 雨淋 压边 顶注式 黄铜 按顺序凝固的原则设计浇注系统 149 第6节金属过滤技术 过滤的优点a减少非金属夹杂 b改善金属的力学性能 c改进了切削性能 延长刀具寿命 d简化浇注系统结构 提高工艺出品率 过滤网板的种类陶瓷网格 泡沫陶瓷 编织纤维玻璃 150 对过滤网板的要求足够的耐火度过滤尽可能小的夹杂物高的抗热冲击和重力冲击性 足够的金属液通过速度 热容量小 减小初始金属液的温降 不污染金属 不发气 室温强度足够 151 安放形式如图 152 6 1陶瓷网格过滤板 化学成分SiO238 AI2O355 MgO7 耐热1450 规格形状为正方形 三种密度 100 200 300CSI 对应网格壁厚 边长 孔区面积比不同 见下图和表 设计要求安放容易 并保证全部过滤 过滤面积足够大 保证正常的浇注速度 压砂深度大于3mm 对球铁件 过滤面积要大于阻流截面的4 8倍 应用铸铁 非铁金属件 153 154 6 2泡沫陶瓷过滤板 结构将有机泡沫材料浸泡于陶瓷浆料中 经积压 烘干 焙烧而形成的多孔性陶瓷 特点孔洞曲折 挡渣效果好 但若透气率过抵 流动阻力大 要求很高的金属压力头 主要组成陶瓷材料粉 氧化铝 氧化铬 氧化镁等 流变剂 粘土 膨润土 粘结剂或空气硬化剂 主要的技术特性透气率 400 8000 X10 7cm2孔隙率 70 95 孔眼大小 用单位面积上的孔数表示 厚度 一般在10 20mm 155 应用铝 铜合金以AI2O3为骨料 孔隙率70 90 用于铝铸件 过滤面积4 8倍的横浇道的面积 用于铜铸件 过滤面积2 4倍的横浇道截面积 铸铁以铝矾土为骨料 磷酸盐做粘结剂 铸钢以稳定的氧化锆为基本材料 过滤面积为阻流截面的4 5倍以上 156 第5章冒口 冷铁和铸肋第1节冒口的种类及补缩原理 冒口的种类按工艺 157 顶冒口依位置分侧 边 冒口普通冒口明冒口依顶部覆盖暗冒口通用冒口大气压力冒口依加压方式压缩空气发气冒口保温冒口发热冒口特种冒口依加热方式加氧冒口冒口电弧 煤气加热冒口易割冒口直接实用冒口 浇注系统当冒口 铸铁件实用冒口 均衡凝固 控制压力冒口冒口无补缩 按形状 圆柱形 球顶圆柱形 长 腰 圆柱形 球形 扁球形等 158 通用冒口补缩原理适用范围 所有合金铸件 实现有效补缩的条件是遵从顺序凝固原则 1 基本条件a冒口凝固时间等于或大于铸件 被补缩部分 的凝固时间 b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 C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 159 2 选择冒口位置的原则a在热结的上方或侧旁b尽量在铸件最高 最厚部位 低处热结设补贴或冷铁 c不应设在铸件最重要 受力大的部位 d不要选在铸造应力集中处 应减轻对铸件的收缩阻碍 避免裂纹 e尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件f冒口布置在加工面上 可节约铸件精整工时 外观好 g不同高度的冒口 应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开 160 161 162 163 3 冒口有效补缩距离的确定 164 165 有效补缩距离 冒口作用区与末端区长度之和 是确定冒口数目的依据 a铸钢件冒口的补缩距离碳钢件如下图 冒口区和末端区长度都随铸件厚度增大而增加 且随截面的宽厚比减小而减小 166 总结 薄壁件比厚件更难以消除轴线缩松 杆件比板件补缩难度更大 阶梯形铸钢件补缩距离比板件大 垂直补缩距离至少等于水平补缩距离 167 B铸铁件通用冒口的补缩距离灰铁件如下图 共晶度低 结晶温度范围宽 共晶前析出奥氏体阻碍补缩 故补缩距离短 168 球墨铸铁 糊状凝固 只有湿型和壳型铸造厚大铸件 铸型刚度较差时才用通用冒口补缩 见表3 5 1 可锻铸铁 补缩距离为4 4 5倍壁厚 C有色合金的冒口补缩距离铜合金见表3 5 2锡青铜 磷青铜 糊状凝固 有效补缩距离短 易出现分散缩松 无锡青铜和黄铜 凝固范围窄 补缩距离大 黄铜5 9T 铝 锰青铜5 8T 共晶型铝合金 4 5T 非共晶型的铝合金 2T d外冷铁对补缩距离的影响在两个冒口间放冷铁 形成两个末端区 显著增加有效补缩距离 端部放冷铁延长末端区 169 170 171 e补贴的应用实现冒口补缩的基本条件之一 铸件凝固时始终保持向着冒口的补缩通道扩张角 壁厚均匀的板形件往往难以达到这个要求 补贴 在靠近冒口的铸件壁上补加的倾斜的金属块 补贴可从结构上造成向着冒口的补缩通道扩张角 有效延长补缩距离 172 补贴种类 金属补贴加热 耐火隔片 补贴发热 保温 补贴补贴的位置 水平补贴 最大长度为冒口模数的4 7倍 其它尺寸如图 垂直补贴 试验条件和关系曲线如图 生产条件变化时补贴厚度乘以补偿系数 173 174 局部热节的补贴尺寸 采用A Heuvers氏滚圆法 重要部位的热节可用扩大滚圆法 如图 175 第2节铸钢件 通用 冒口的设计与计算2 1模数法 1 基本原理 遵守顺序凝固的基本条件a冒口的凝固时间应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间 凝固时间遵循Chvorinov公式式中Mr Mc分别为冒口模数和铸件模数Kr Kc分别为冒口 铸件的凝固系数 176 模数 又称为铸件折算厚度简单几何体的模数计算 177 推导对于普通冒口 由于Kr Kc Mr fMcf冒口的安全系数 f 1 2碳钢 低合金钢铸件冒口 冒口颈 铸件模数间的关系 侧冒口 内浇道通过冒口 顶冒口 b冒口必须提供足够的金属液式中 金属从浇注完到凝固完毕的体收缩率 见下表 冒口的补缩效率 补缩体积 冒口体积 见表3 5 6 178 179 对冒口体积的影响如图 180 2 铸件形状系数的影响 铸件形状系数 shapecoefficient q的意义q值越小 越接近简单实心球体 q值越大 越接近展开的大平板 对于实心球体q 113 生产中的铸件在113 5000范围内 q值对补缩效率的影响q值越大 冒口的补缩效率越高 见表3 5 7 181 3 通用冒口设计步骤 把铸件划分为几个补缩区 计算各区的铸件模数 按比例计算冒口及冒口颈的模数 确定冒口的形状及尺寸 检查顺序凝固条件 补缩距离是否足够 补缩通道是否畅通 校核冒口的补缩能力 4 铸件模数的计算 简单几何体的模数 相交节点的模数 182 183 184 185 186 2 2三次方程法原理 2 3补缩液量法2 4比例法 187 188 第3节铸铁件实用冒口的设计3 1铸铁的体收缩 特点具有石墨化膨胀 球铁凝固过程特点三个阶段 一次收缩 primarycontraction 体积膨胀 volumeexpansion 二次收缩 secondarycontraction 特点 三个阶段的收缩 膨胀并非定值 在很大范围内变化 189 球铁体积膨胀的特点温度可高于共晶温度 实验数值大于计算数值 认为体积膨胀还与气体的析出有关 影响铸铁收缩 膨胀的因素a冶金质量影响在其它工艺因素相同的条件下 冶金质量好的铸件一次收缩 体积膨胀 二次收缩的值都小 冶金质量的评定 从Y形式样上取样做金相检验 以1mm2面积上的石墨球数为准 150好 90差 190 影响冶金质量的工艺因素 炉料的组成及品质 炉型 铁液的停留时间 孕育 b冷却速度的影响 影响 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 影响冷却速度的因素 铸造方法 铸件模数 对小模数的铸件 应安放冒口 191 c化学成分如图3 5 21 高于wc 1 7wSi 3 9线的区域为致密区 碳量对消除球铁件的缩松比硅的作用强7倍 wc wSi比对 v e 的影响如图 当为wc wSi1 18时体收缩率最小 192 3 2实用冒口设计法 设计原则冒口和冒口颈先于铸件凝固 利用部分或全部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 实用冒口的优势出品率高对缩松防止效果好 成本低 实用冒口的种类及适用范围 193 194 1 直接实用冒口 包括浇注系统当冒口 基本原理原理 当铸件处于液态收缩期 冒口能够进行补缩 当液态收缩终止或体积膨胀开始时 让冒口颈及时冻结 利用铸铁的共晶膨胀在高强度铸型内形成内压力 迫使液体流向缩孔 缩松处 这样就可预防铸件于凝固期出现真空度 从而避免出现缩孔 缩松 膨胀压力铸件模数大 膨胀压力高 球铁比灰铸铁的膨胀压力高 195 应用 铸型强度较高 如干型 自硬型 湿型 球铁件模数小于0 48cm 灰铁件模数小于0 75cm 薄件 196 冒口和冒口颈的设计a冒口的体积铸铁液态收缩率的计算 对铸铁 90 30C x10 6根据平衡相图 铸铁的碳含量每增大1 液相线温度下降90 所以 1540 90C 90 30C 1540 90C 亚共晶灰铸铁收缩率 与碳当量有关 要增加L A转变的3 的收缩率 197 198 冒口有效体积的确定 冒口的有效体积比铸件须补缩的铁水量要大些 冒口的形式 大气压力冒口 b冒口颈的计算设计原则 铸件液态收缩结束或共晶膨胀开始时刻 冒口颈应及时冻结 传热学推导 tp 1150 tp 1150 L c 冒口颈模数的修正 浇注时的温度损失 铸件外壳薄层凝固的热损失 修正结果见图3 5 24 199 200 关键模数的确定 它本身的体积膨胀量能补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 这也表明 更厚的部分也可以满足关键部分的要求 注意 冒口只须补偿关键部分共晶之前的液态收缩体积 直接实用冒口的有效补缩距离是无限的 201 202 用浇注系统当冒口应用 薄壁铸件 球铁件0 48 灰铁件0 75时采用 设计 内浇道做冒口颈 按图3 5 24确定 但要控制浇注温度 冒口 高于铸件最高水平面的只浇道和浇口杯部分 例 下图球铁件 203 直接实用冒口的优缺点优点 铸件工艺出品率高 冒口位置便于选择 冒口颈可很长 冒口便于去除 花费少 缺点要求高强度铸型 要求严格控制浇注温度范围 25 以保证冒口颈冻结时间准确 复杂铸件关键模数不易确定 为验证冒口颈是否正确需生产试验 204 2 控制压力冒口 释压冒口 基本原理基本概念 控制压力在湿型可承受的范围 当用湿型铸造球墨铸铁件0 48 2 5cm时 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 可使铸件内铁液回填冒口以释放部分压力 通过控制回填程度在铸件内建立适中的内压来克服二次收缩缺陷 缩松 205 控制压力的机理 如图 以D曲线为例 二次收缩 体积膨胀 铸型所能容纳的膨胀 T1以上 不足以补偿二次收缩的膨胀 T0以上 膨胀量控制范围 Cs Z 2 Z 2铁液回填冒口的终止目标 T2 206 三种控制方法 a冒口颈适时冻结 用冒口颈尺寸控制 浇注温度 冶金质量的变动可能导致控制失败 不可靠 b用暗冒口的容积实现控制 暗冒口被回填满后建立内压 浇注温度不能超过T0对应的温度 否则回填不满 c采用冒口颈尺寸和暗冒口容积双重控制 控制浇注温度和冶金质量 冶金质量好的铁液 图中B 二次收缩小 扩大了Z区 并且不会使铸件胀大变形 容易实现压力控制 207 设计方法a冒口和冒口颈冒口模数Mr 主要取决于铸件厚大部分的模数Ms和冶金质量 按下图确定 冒口位置和形式 靠近铸件厚大部位 暗冒口 以冒口模数确定其尺寸 以有效体积大于铸件所需补缩的体积校核 图3 5 30 冒口颈 采用短冒口颈 模数按下式 Mn 0 67Mr冒口颈的形状可选圆形 正方形和矩形 208 209 b冒口的补缩距离概念 由凝固部位向冒口回填铁液的距离 影响因素 模数 冶金质量 如下图冶金质量好 模数大 则输送距离大 输送距离达不到的部位 铸件内膨胀力过大 可能使铸件胀大 变形及产生缩松 210 c冒口的位置和数目冒口应安放到模数大的位置 复杂铸件 依铁液输送距离和模数 体积分额图决定冒口位置及数目 如图 若0 8 则可判定分体1可通过分体2将多余的铁液输送到安放在分体3的冒口内 此时只需一个冒口 否则 则应在分体1 3上分别安放冒口 211 c其它经验尽量采用内浇道通过边冒口引入的方式 采用大气压力暗冒口 采用扁薄内浇道 长度至少为厚度的4倍 要求浇注后迅速凝固以在冒口中形成缩孔 要求快浇 宜高温浇注 1371 1427oC希望采用冶金质量好的铁液 适用于湿型中铸造模数0 48 2 5cm的球铁件 0 75 2 0cm的灰铁件 要求铸型的硬度大于85 212 3 无冒口补缩法的应用条件a铁液的冶金质量好 b球铁的平均模数大于2 5cm c铸型的强度 刚度足够 上下箱牢固锁紧 d低温浇注1300 1350 e快浇 防止铸型顶部被过分烘烤和减小膨胀损失 f采用小的扁薄内浇口 分散引入 每个面积不超过15X60mm 以尽早凝固 g设明出气孔 直径20mm 相距1m 均匀布置 h为安全起见 可采用安全冒口 213 例 前盖板下压模工艺 214 3 3铸铁的均衡凝固理论均衡凝固的定义利用铸