铸造工程基础教学大纲

一课程名称材料加工工程，THEMATERIALSPROCESSESENGINEERING二课程编码三课时与学分66/3四先修课程材料成形原理五课程教学目标通过对材料加工工程课程的学习，使学生掌握金属材料的铸造、锻压、焊接和高分子材料成形加工技术的基本理论，具备从事材料成形工艺、模具及工装设计工作的基本能力，培养技术创新能力，树立以人为本的科学技术发展理念。六适用学科学科专业材料科学与工程，机械科学与工程七基本教学内容与学时安排第一篇液态金属铸造成形工艺（18学时）（一）液态金属成形过程及控制（4学时）液态金属充型过程的水力学特性及流动情况浇注系统的设计液态金属凝固收缩过程的工艺分析冒口和冷铁设计（二）各种典型铸造技术的原理和方法（6学时）砂型铸造金属型铸造熔模铸造压力铸造离心铸造挤压铸造反重力铸造（三）液态金属成形件工艺设计（5学时）铸件结构的工艺性铸造工艺方案的确定铸造工艺参数的确定液态金属成型工艺设计实例（四）液态金属成形新工艺（3学时）消失模铸造技术半固态铸造技术其它液态金属成形新技术第二篇固态金属塑性成形工艺（18学时）（一）开式模锻工艺及模具设计（4学时）开式模锻工艺的变形特征模锻件的分类及表示锻件复杂程度的参数锻件图的设计终锻与预锻模膛的设计制坯工步的选择及制坯工步模膛设计锻模结构设计（二）精密模锻工艺及模具设计（2学时）精密模锻工艺的特点及应用闭式精密模锻工艺闭式精密锻模设计（三）其它体积金属塑性成形工艺（2学时）挤压工艺及模具设计等温锻造工艺（四）板料冲压工艺及冲模设计（6学时）概述冲裁弯曲拉深冲压模具设计（五）板管成形新工艺（4学时）板料旋压成形板料的介质成形板料的超塑性与电磁成形管料的塑性成形第三篇金属连接成形（18学时）（一）金属连接成形原理及途径（2学时）金属连接成形原理金属连接成形的途径和方法（二）金属连接成形的主要工艺（5学时）电弧焊接电阻焊钎焊胶接（三）连接新技术及连接相关技术（3学时）高能束焊接智能化焊接金属连接的相关技术（四）金属构件连接设计（5学时）金属构件常用材料的焊接连接方法的选择金属构件连接形式的设计（五）连接成形件的缺陷及检测（3学时）常见焊接缺陷及产生原因焊接检验方法焊接过程的检测与控制第四篇高分子材料成形工艺（10学时）（一）塑料的性能与工艺特性（2学时）塑料的性能和用途塑料的组成和分类塑料的工艺特性（二）塑料制品的设计原则（2学时）制品的材料和几何形状螺纹与齿轮设计金属嵌件的设计尺寸精度与表面粗糙度（三）注射成形工艺及注塑模（4学时）注射工艺过程注射工艺的影响因素常用塑料及其注射工艺注射模具的基本结构（四）橡胶成形工艺及模具（2学时）橡胶的特性与分类橡胶成形的基本工艺橡胶成形模具设计第五篇综合运用（2学时）零件毛坯主要种类及成形工艺比较零件毛坯及其成形工艺的选用原则典型零件毛坯成形工艺方法的选用成形工艺方案的技术经济性论证实验课（课内必做8学时，课外选做作为创新活动安排）八教材及参考书材料成形工艺，夏巨谌，张启勋主编，机械工业出版社，2005年铸造工程基础,魏华胜主编，机械工业出版社，2002年塑性成形工艺及设备,夏巨谌主编，机械工业出版社，2001年液态金属铸造成形工艺本课程本篇的教学基本目的是1了解铸造成形工艺的基本过程与特点；2了解铸造工艺设计的基本内容和思路3了解各种典型铸造技术（包括新技术）的原理和方法。1绪论本章的主要内容铸造生产的基本过程和成形方法；金属铸造成形在制造业中的地位；我国铸造技术的历史及发展；我国与世界先进国家的差距；21世纪有待开发的铸造新技术等。第1节铸造生产的基本过程和成形方法铸件是怎么铸成的在诗人的笔下,在电影,电视画面上,都是充满诗情画意的壮观情景奔流的铁水似红色的火龙在延伸,飞舞的钢花象无数的星星在闪耀,什么是铸造日本人把铸造解释为“水随方圆之器”的技术，也就是说可以让金属液流动凝固在预先制备的铸型中,而获得任何形状的毛坯或零件铸件的一种技术。（图）液态金属成形有两个基本过程,充填铸型和冷却凝固两个过程这两个基本过程可在重力场或非重力场的作用下完成充填铸型也称浇注主要是一种运动速度的变化的机械过程，冷却凝固则为结晶和组织变化的热量传递过程。根据生产的铸件的需要，预先制备好铸型及一定的化学成分的液态金属或合金。然后在重力或其它力的作用下将液态合金材料注入铸型，其中充填是否充分、平稳对铸件的最终质量有重要的影响，特别是对于某些形状复杂、壁厚差异大或易氧化的合金显得更为重要。液态合金材料的结晶与凝固，是铸件形成过程的核心问题，它在很大程度上决定了铸件的铸态组织,特别是铸态力学性能，及某些铸造缺陷的形成,起着决定性的作用。控制凝固过程以提高铸件质量、获得所要求的组织与性能，是铸造技术的重要内容。一结晶及凝固组织的形成与控制液体金属的结构，晶核的形成与长大，晶粒的大小、方向和形态等与铸件的凝固组织密切相关，它们对铸件的物理性能和力学性能有着重大的影响。控制铸件的凝固组织的目的就是为了获得所希望的组织，欲控制凝固组织，就必须对其形成机理、形成过程和影响因素有全面的了解和深入研究。目前已建立的有效控制组织的方法有变质、孕育、动态结晶、顺序凝固、快速凝固等。二铸件尺寸精度和表面粗糙度控制现代制造的许多领域，对铸件尺寸精度和外观质量的要求愈来愈高，铸件的近净形化NEARNETSHAPEPROCESSES技术改变着铸造只能提供毛坯的传统观念，其目的在于降低物耗、能耗、工耗，并且改善产品的内外质量，争取市场和高效益。铸件是液态成形的，实现近净形化具有独特的优越性，在结构方面铸件的内腔和外形用铸造方法一次成形，使其接近零件的最终形状，使加工和组装工序减至最少；在尺寸精度和表面质量方面，使铸件能接近产品的最终要求，做到无余量或小余量；另一方面，被保留的铸造原始表面有益于保持铸件的耐蚀和耐疲劳等优越性能，从而提高产品寿命。努力提高铸件的尺寸精精度和降低表面粗糙度，推进铸件近净形技术的发展是未来的方向。三铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷是造成废品的主要原因，是对铸件质量的严重威胁。如液态金属的凝固收缩会形成缩孔、缩松；凝固期间元素在固相和液相中的再分配会造成偏析；冷却过程中热应力的集中会造成铸件裂纹和变形。应根据产生的原因和出现的程度不同，采取相应措施加以控制，使之消除或降至最低程度。此外，如有夹杂物、气孔、冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工艺有关。总之，防止、消除和控制各类缺陷是一个不容忽视的关键问题。四液态金属凝固成形的方法液态金属凝固成形的方法主要是指铸造成形的工艺过程，它是首先制造一个形状、尺寸与所需零件相应的铸型型腔，然后将液态金属充填入型腔，待其冷却凝固后，而获得零件称为铸件的方法。凝固成形的方法1根据金属液充填进铸型方法的不同可分为重力铸造液态金属靠自身重力充填型腔，低压铸造、挤压铸造、压力铸造液态金属在一定的压力下充填型腔等。2根据形成铸型材料的不同，可分为一次型如砂型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造及永久型如金属型铸造。对于砂型铸造，根据型砂粘结剂的不同，有粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等。根据造型方法不同有手工造型和机械造型。3此外，对于一些特殊的凝固成形件，还可采用连续铸造等截面长铸件、离心铸造圆筒形铸件、实型铸造、熔模铸造等方法。第2节铸造生产在制造业和国民经济中的地位及发展一、铸造生产在制造业中的地位铸造生产通常是指用熔融的合金材料制作产品的方法，将液态合金注人预先制备好的铸型中使之冷却、凝固，而获得毛坯或零件，这种制造过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的产品称为铸件。大多数铸件作为毛坯，需要经过机械加工后才能成为各种机器零件；有的铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件直接应用。在制造业的诸多材料成形方法中，铸造生产具有以下独到的优点1适用范围广。铸造法几乎不受铸件大小、厚薄和形状复杂程度的限制，铸造的壁厚可达031000MM，长度从几毫米到十几米，质量从几克到300T以上。最适合生产形状复杂，特别是内腔复杂的零件，例如复杂的箱体、阀体、叶轮、发动机汽缸体、螺旋桨等。2铸造法能采用的材料广，几乎凡能熔化成液态的合金材料均可用于铸造。如铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及锌合金等铸件。对于塑性较差的脆性合金材料如普通铸铁等，铸造是惟一可行的成形工艺，在工业生产中以铸铁件应用最广，约占铸件总产量的70以上。3铸件具有一定的尺寸精度。一般情况下，比普通锻件、焊接件成形尺寸精确。4成本低廉、综合经济性能好、能源材料消耗及成本为其它金属成形方法所不及。铸件在一般机器中占总质量的4080，而制造的成本只占机器总成本的2530。成本低廉的原因是生产方式灵活，批量生产可组织机械化生产。可大量利用废、旧金属材料和再生资源。与锻造相比，其动力消耗小。有一定的尺寸精度，使加工余量小，节约加工工时和金属材料。铸造是机械制造工业毛坯和零件的主要供应者，在国民经济中占有极其重要的地位。铸件在机械产品中所占的比例大，如内燃机关键零件八九种都是铸件，占总质量7090，汽车中铸件质量占19轿车23卡车；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件质量占6580；农业机械中铸件质量占4070。矿冶钢、铁、非铁合金、能源火、水、核电等、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中铸件都占很大的比重和起重要的作用。在日新月异的世界里，铸造是最广泛应用的金属加工技术。当今发达的工业国，铸造生产已走向机械化、自动化、计算机控制、机器入操作的时代，以生产更高品质的金属零件满足各方面的需求，作为一个最基础的行业，它所生产出来的东西为各个行业，各类产品所应用，天上地上处处可见。大到飞机、火车、汽车、舰船、电冰箱、电饭锅、缝纫机小到锁头、皮带扣、拉链扣几乎无处不在，它们中许许多多零件是铸造出来的。（展示多幅铸件实物图）二、我国铸造技术的发展1历史我国的铸造技术已有6000年悠久的历史，是世界上较早掌握铸造技术的文明古国之一，2500多年以前公元前513年就铸出270KG的铸铁刑鼎。我国是最早应用铸铁的国家之一，我国商朝制造的铜钺具有铁刃，据考证那时的铁刃是用陨铁锻造而成，然后镶铸上铜背。自周朝末年开始有了铸铁，铁制农具发展很快，秦、汉以后，我国农田耕作大都使用了铁制农具。如耕地的犁、锄、镰、锛、锹等，表明我国当时已具有相当先进的铸造生产水平，到宋朝我国已使用铸造铁炮和铸造地雷。我国在商朝起就已创造了灿烂的青铜文化，所谓“钟鸣鼎食”，成了当时贵族权势和地位的标志。1978年湖北省随县出土的曾候乙墓青铜器重达L0T，其中有64件的一套铜编钟，分八组，包括辅件在内用铜达5TO钟面铸有变体龙纹和花卉纹饰，有的细如发丝，钟上共铸有错金铭文2800多字，标记音名、音律。每钟发两音，一为正鼓音，一为右鼓音。整套编钟音域宽达五个半八度，可演奏各类乐曲，音律准确和谐，音色优美动听。铸造工艺水平极高，可称得是我国古代青铜铸造的代表作，这套编钟的铸造时代是距今2400年前的战国初期。现存于北京大钟寺内的明朝永乐大钟，铸于明永乐18年公元14181422年前后，全高675M，钟口外径33M，钟唇厚0185M，重465TO据考证钟体铸型为泥范，芯分七段。先铸成钟钮，然后再使钟钮与钟体铸接成一体。化学分析结果为WCU8054，WSN164及微量的ZN，PE，SI，MG，CA等。钟体的内外铸满经文，共约227000余字。大钟至今完好，声音幽雅悦耳，距钟1520KM都能听见，是世界上罕见的古钟之一。我国古代的钟、鼎、樽等文物，有不少是熔模铸造的，其工艺复杂，铸工之精湛、铸件之精美，不难看出我国古代熔模铸造工艺已达相当高的水平。欧洲的炼铁文化是从锻铁，锻钢开始，然后进化到铸铁。所以铸铁的出现比较迟，直到中世纪才出现。然而，中国古代文化就是以铸铁为主体发展起来的，因此最早的铸铁金属型铸造也是在中国出现。在新中国成立以后，中国的考古学界进行了大规模的发掘工作，逐步弄清了中国古代铸铁文化的真实情况。在湖南省长沙楚墓和河北省兴隆县的燕国遗址中，发掘了铸铁农具和铸铁制的铁范。而从1953年11月,兴隆县古铜沟燕国遗址中发掘的大量铁筢,经推证，那是属于战国后期公元前480200年的器具。关于这些范，在中是这样记载的“这批群范有40对87件，；钁镐笵，锄笵、镰笵，斧笵、凿笵以及车具笵等，本身都是铸铁件，同时，也是用铸铁的金属型制作的。其中有比较复杂的复合笵并有双型腔，外型设计使得铸造时各部分保持温度均匀。此外还采用了防止铸件变形的加强结构和甚至现在仍不易处理的金属型芯。金属型芯的应用是铸造工艺的一项重要发展”由此可见当时高度发展的铸造技术。那个时代正值中国中原六国，韩，魏，赵、齐，楚，燕竞相吞并的战乱时期，西部边境的新兴国秦始皇在公元前221年结束了这场战乱，从此中国完成国家统一。当时的金属以青铜为主导地位，武器和器具是用青铜制作的，而普通农民使用的农具仍用木料和石头制作。待大量廉价的铁制农具出现以后，中国农业史上才发生了一大革命。考古学家曾写道以铁制农具的出现为转机，开始了牛挂的牛耕，并能实施大规模的水利灌溉工事。至此，农业耕作效率显著提高，耕地面积扩大，收获急剧增长考古学家认为，秦统一中国的最主要原因是较早地懂得了铸铁的重要性，并用于大量生产农具和工具。正因为如此，扩大了农业生产，发展了经济，充实了国力。现位于河北省沧州的大铁狮，高5M多，长近6M，重达193T，是公元9世纪五代后周时铸成的。现立于当阳的铁塔，由13层叠成，重40T，铸于北宋淳熙年间，在公元前500年，我国就已成功地运用了叠箱铸造技术来大量生产铸铁件。这些都向世人展现了我国古代铸造工艺的水平和高超技艺。（展示多幅铸件实物、文物图）三现状我国古代铸造技术居世界先进行列。由于过长的封建社会影响了科学技术的发展，阻滞了铸造技术前进的步伐。新中国成立以来的50多年中，自20世纪50年代初至今，几乎从零开始，逐步发展到现在这样的规模，成绩是巨大的。现在铸造在我国是一个很大的行业，产量居世界第二位，达年产1000万12M万T，厂点多达2万多个，职工100130万人，其中工程技术人员约占35，已经成为了国家重要的基础工业之一。四、我国与世界先进国家的差距1厂点多,生产规模小2从业人员多,生产效率低3资源,能源浪费大4铸件内外在质量低,附加值低5不注重环保第3节21世纪有待开发的铸造新技术到目前为止，铸造技术一直是机械工业金属加工行业中关键基础技术，发挥着重要作用。但是为了将来铸造技术为工业生产的发展做出贡献，铸造技术本身要发展进步，要发挥铸造技术的优于其他加工工艺方法的特长是非常必要的。为此还有许多需要开发的铸造技术课题。被期待着开发的铸造技术课题大体上可以分为三类一、提高铸件竞争能力的技术为了提高铸件相对于其他成形工艺制造的零部件的竞争能力，以铸造工艺代替其他工艺方法，需要发挥铸件的特长，进一步发挥铸造材料的高强度化和高机能化，同时还要开发创新的精密成形技术或者说是净形、近净形技术,以提高铸件的内外在质量具体举例如下1开发具有成本低、污染小、效率高、质量好等优点的射压、气冲造型和静压造型等高度机械化、自动化、高密度粘土砂湿砂造型工艺汽车,内燃机,拖拉机等行业。2开发无或少污染的粘结剂、催化剂、固化剂，研究与之配套的环保处理设备，广泛应用和发展树脂自硬砂、冷芯盒自硬工艺、温芯盒法及壳型芯法汽车,内燃机,拖拉机等行业。3研究水玻璃的净化及改性以提高其粘结性能，开发新型水玻璃砂旧砂再生回用工艺及设备，进一步推广酯硬化水玻璃砂在中、大型铸钢件上的应用。4开发新型铸造涂料,达到涂料即铸型的要求与理念特种铸造方法熔模铸造、压铸、低压铸造等的推广与应用特种铸造作为一种实现少余量、无余量加工的精密成形技术，将向着精密化、薄壁化、轻量化、节能化方向发展。5为实现薄壁轻量化高强度铸件的铸造生产工艺6半熔融、半凝固铸造技术制造高韧性的铸造轻合金铸件7可以满足多品种单件小批生产的铸造生产工艺和可以缩短试制周期和迅速交货的铸造浇注系统和铸造方案自动设计技术铸造浇注系统及铸型方案自动设计系统的开发信息化技术用于三维电子计算机辅助设计和模型制造二、有利于地球环境保护的可持续发展技术对地球环境关注的社会意识日益增强，必须采取对策保护环境，任何行业中环境保护的最关键问题是成本。过去决定铸件价格的最重要的因素是铸件重量，因此铸造企业间进行单纯的价格竞争，承担不起环境保护措施需要的投资。目前，铸造业应该采用拥有知识产权的自有技术开发出高附加值的产品，铸造产品的价格应该包含高技术因素的使用价值。环境保护技术对策也将是发展中国家今后面临的问题。为了使铸造业真正成为新世纪产业的一个重要组成部分，最需要开发的是节材节能技术，尽量减少资源和能源的消耗。铸造生产工艺是从最初的原材料开始直到制成产品，是能够使铸件及废旧制品再生回用的工艺技术。因此铸造就是节材技术。因此，在开发环境保护技术时，应该申请和取得国际专利权。三、铸造生产的信息化技术希望开发计算机数值模拟技术、专家系统等为传授高级技术经验和技能及其有效应用这些技术技能的软件，具体内容如下1建立铸造技术数据库及凝固过程数值模拟技术CAE从铸件试制到铸造工艺条件设定的综合系统。2铸件表面和内部缺陷及铸件尺寸的综合非破坏自动检验系统。3铸造现象的科学解析和认识技术体系化。4铸造工艺计算机辅助设计CAD技术5快速成形制造技术这是将CAD设计数据直接转化为实物的过程，它集成了CADCAM技术、现代数控技术、激光技术和新型材料技术，无需图样、无需进行传统的模具设计和加工，极大地提高了生产效率。目前已使用快速成形制造技术在砂型铸造、熔模铸造和实型铸造中快速制出形状复杂的模样或用激光束直接将覆膜砂制成铸型，以便完成铸造生产。这种高新技术正在从根本上改变着铸造生产中铸造模具制作的过程，表现出高效、优质的特点。第一章液态金属成型过程及控制本章的主要内容为液态金属充型过程的水力学特性及流动情况；浇注系统及设计；液态金属凝固收缩过程的工艺分析；冒口和冷铁和设计。即让学生了解和掌握液态金属铸造成形的两个基本过程充型和凝固对铸件质量的影响规律，并提出其控制方案和措施。本章的重点在充型过程及其控制。在讲授浇注系统、冒口和冷铁和设计时，主要介绍其设计方法和思路，少讲其具体的计算实例，这在相关的工艺设计课中完成。在制作课件时，引用了王文清、李魁盛主编的铸造工艺学（机工出版社出版，1998，2005年再版）的多幅图片以及讲课者本人收集的相关图片和照片。第一节液态金属充型过程的水力学特性及流动情况如在绪论中所说，液态金属铸造成形的基本过程是充型和凝固，充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷，如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷，都是在液态金属充型不利的情况下产生的。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔，对保证铸件质量起着很重要的作用。一、液态金属充型流动过程的水力学特性目前在实际铸造生产中，砂型仍占相当大的分量，而液态金属在砂型中流动时呈现出如下的水力学特性（1）粘性流体流动液态金属是有粘性的流体。液态金属的粘性与其成分有关，在流动过程中又随液态金属温度的降低而不断增大，当液态金属中出现晶体时，液体的粘度急剧增加，其流速和流态也会发生急剧变化。（2）不稳定流动在充型过程中液态金属温度不断降低了而铸型温度不断增高，两者之间的热交换呈不稳定状态。随着液流温度下降，粘度增加，流动阻力也随之增加；加之充型过程中液流的压头增加或和减少，液态金属的流速和流态也不断变化，导致液态金属在充填铸型过程中的不稳定流动。（3）多孔管中流动由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的浇注系统和型腔看作是多孔的管道和容器。液态金属在“多孔管”中流动时，往往不能很好地贴附于管壁，此时可能将外界气体卷入液流，形成气孔或引起金属液的氧化而形成氧化夹渣。（4）紊流流动生产实践中的测试和计算证明，液态金属在浇注系统中流动时，其雷诺数RE大于临界雷诺数RE临，属于紊流流动。例如ZL104合金在670浇注时，液流在直径为20MM的直浇道中以50CM/S的速度流动时，其雷诺数为25000，远大于2300的临界雷诺数。对一些水平浇注的薄壁铸件或厚大铸件的充型，液流上升速度很慢，也有可能得到层流流动。轻合金优质铸件浇注系统的研究表明，当RE20000时，液流表面的氧化膜不会破碎，如果将雷诺数控制在400010000，就可以符合生产铝合金和镁合金优质铸件的要求。有人通过水力模拟和铝合金铸件的实浇试验证明允许的最大雷诺数，在直浇道内应不超过10000，横浇道内不超过7000，内浇道内不超过1100，型腔内不超过280。（举出一个计算铸铁件浇注时雷诺数RE变化的实例。）综上分析，影响金属液流动的平稳性的主要因素是金属液的流动速度合浇注系统的形状及截面尺寸。为此，有必要研究液态金属在浇注系统中的流动情况。二、液态金属在浇注系统中的流动情况浇注系统是液态金属流入型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等单元组成（图11浇注系统的基本形式），分析液态金属在浇注系统中的流动规律、对正确地设计浇注系统有重要的作用。1液态金属在浇口杯中的流动情况浇口杯的作用是承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注；减轻液流对型腔的冲击；分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔；增加充型压力头。浇口杯按结构形状可分为漏斗形和池形两大类。漏斗形浇口杯结构简单，挡渣作用差，由于金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣，因此这种浇口杯仅适用于对挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。池形浇口杯效果较好，底部设置凸起有利于浇注操作，使金属液的浇注速度达到适宜的大小后再流入直浇道。这样浇口杯内液体深度大，可阻止垂直轴旋转的水平旋涡的形成，从而有利于分离渣滓和气泡。浇口杯内出现水平旋涡会带入渣滓和气体因而应注意防止。当合金液从各个方向流入直浇道时，各向流量不均衡，某一流股的流向偏离直浇道中心，就会形成水平涡流。根据水力学原理，水平涡流愈靠近中心部位压力愈低，液面愈低，这样浮在液面上的渣滓会沿着弯曲的液面，一面旋转，一面和空气一同进入直浇道，就有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。水力模拟试验表明，影响浇口杯内水平旋涡的主要因素是浇口杯内液面的深度，其次是浇注高度，浇注方向及浇口杯的结构等。浇口杯内合金液面深度和浇注高度的影响如图12所示。液面深度大时不易出现水平旋涡（图12A），液面浅时易出现水平旋涡（图中B）。浇包嘴距浇口杯越高，水平旋涡越易于产生（图C）。液面浅和浇注高度大时，偏离直浇道中心的水平流速较高，因而易出现水平旋涡。（图12液面深度和浇注高度的影响）为了减轻和消除水平旋涡，对于重要的中、大型铸件，常用带浇口塞的浇口杯（图12）。先用浇口塞堵住浇口杯的流出口，然后进行浇注，当浇口杯被充填到一定高度熔渣已浮起时，才拔起浇口塞，使合金液开始流入直浇道。浇口塞可用耐火材料或铸铁材料制成，其结构应能保证拔起浇口塞时不产生涡流。有时也用一金属薄片盖住浇口杯的流出口，当浇口杯被充填到一定的高度时，金属薄片受热熔化，浇口杯的流出口就被打开。为了有利于熔渣上浮到液面，浇口杯应有一定的高度，并将浇口杯与直浇道相连的边缘作成凸起状以促使浇口杯中液流形成垂直旋涡。垂直旋涡能促使熔渣和气泡浮至液面，对挡渣和分离冲入的气泡有利。2液态金属在直浇道中的流动情况直浇道是将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔。通过调整直浇道的高度，可获得足够的压头以保证金属液能克服沿程阻力损失，在规定的时间内以适当的速度充满型腔。直浇道越高，则压头越大，金属液进入型腔的速度越快，对充满薄壁铸件有利，但同时对铸型的冲击也愈大。液态金属在直浇道中的流动状态过去不少资料认为液态金属在直浇道中流动时，会呈负压状态，出现吸气现象。对液态金属在直浇道中的流动状态进行理论分析和水力模拟试验证明，对只有浇口杯和直浇道组成的浇注系统、直浇道上口为尖角，浇道截面为等截面时，会出现液流离壁现象且有一定的真空度存在。对液态金属在砂型直浇道中的流动状态进行模拟试验和摄影观察还得出液态金属在直浇道中存在充满式流动和非充满式流动。在等截面的圆柱形和上小下大的倒锥形直浇道中液流呈非充满状态。在非充满的直浇道中，流股自上而下呈渐缩形，流股表面压力接近大气压力，微呈正压。流股表面会带动表层气体向下运动，并能冲入型内上升的金属液内。而在上大下小的锥形直浇道中液流呈充满状态，无负压和吸气现象。直浇道入口形状对液流流态影响较大，当入口为尖角时，增加了流动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈充满状态，要求入口处圆角半径RD/4（D为直浇道上口直径）。实际生产中常用的直浇道结构形式见图13。图中A型直浇道制造方便，应用广泛。对于极易氧化的铝、镁合金铸件，为了增大阻力降低流速，也可采用B、C、D所示的直浇道。常用直浇道都存在各种局部阻力，只要合理选用浇注系统的结构形式，就不会出现离壁和负压现象。（图13砂型铸造用直浇道形式及常用断面形状）浇口窝的作用有1）缓冲作用液流下落的动能有相当大的一部分被窝内液体吸收而转变为压力能，再由压力能转化为水平速度流向横浇道，从而减轻了对直流道底部铸型的冲刷。2）缩短拐弯处的高度紊流区浇口窝可缩短高速紊流区（过渡区），也改善了横浇道内的压力分布（图14），压力分布特性说明过渡区的存在。这对减轻金属氧化、阻渣和减少卷入气体都有利。当内浇道距直浇道较近时，应采用浇口窝。3）改善内浇道的流量分布设置浇口窝，有利于内浇道流量分布的均匀化，例如在F直F横F内1255的试验条件下，无浇口窝时，两等断面的内浇道的流量分配为315（近直浇道者）和685（远者）；而有直浇道窝时流量分配为405（近者）和595（远者）。4）减少浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失。3液态金属在横浇道中的流动情况横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道，它的功用主要有稳流、分配液流和挡渣三个方面。（1）横浇道的稳流作用液流从直浇道落下时，速度大不平稳，而经过浇口窝进入横浇道后，液流转向并趋于平稳。（2）横浇道的流量分配作用液流充满横浇道的同时，即由横浇道分配给各个内浇道。同一横浇道上有多个等断面的内浇道时，各内浇道的流量不等。一般条件下远离直浇道的流量大，近直浇道的流量小。各内浇道的流量主要取决于合金液柱的高度、横浇道的长度、内浇道在横浇道上的位置以及各浇道断面积之比。（图15浇注系统结构形式对流量不均匀性的影响）（3）横浇道的挡渣作用横浇道是浇注系统的主要挡渣单元，其挡渣作用与熔渣特性、横浇道本身结构、各浇道的相互配置关系有关。在横浇道中采取重力分离除渣原理如图16所示（图16横浇道挡渣原理图）。随合金液进入横浇道的杂质，其运动受两个速度的作用，即随液流向前运动的速度横和由于密度差引起的上浮或下沉速度浮，最后杂质以两者的合速度合向前上方运动。横浇道的挡渣设计，则应使杂质在合金液流入内浇道之间就上浮到合金液的表面。在横浇道中渣的上浮速度受流态影响比较复杂，但人们普遍认为影响上浮速度和横浇道挡渣作用的主要因素有1）杂质与合金液的密度差越大，渣子越易上浮除去。2）渣团半径R越大，渣子上浮速度越大，越易除去。3）合金液在横浇道中的流动速度横越大，液流在横浇道中的紊流程度越大，杂质上浮所遇到的干扰越大。当横达到一定程度时，杂质就浮不上来，而始终悬浮在液流中，此时的横临界速度称为悬浮速度。4）合金液的粘度越大，则渣团上浮越慢，越难除去夹杂。根据以上对横浇道挡渣作用原理的分析，为强化挡渣作用，在设计横浇道时常采用以下措施降低合金液在横浇道的流动速度。为此，在实际生产中常采用增加横浇道的水力学阻力的措施，例如采用搭接式横浇道或双重横浇道（图17）（图17搭接A）和双重B）横浇道）。采用扩张式浇注系统、增大横浇道的截面积也有利于降低横。横浇道应呈充满状态，这样有利于使渣团上浮到横浇道顶部而不进入内浇道。减小浇注系统的扩张程度，采用底注式浇注系统等措施均有利于使横浇道呈充满状态。内浇道的位置关系要正确。内浇道距直浇道应有一定距离，使渣团能浮上横浇道顶部而不进入内浇道。横浇道末端应有一定的延长段，以容纳最初进入横浇道的低温、含气及有夹杂的金属液，还可在末端设置集渣包。在横浇道上设置过滤网以滤除渣团，如图17（A）所示。在横浇道上设置集渣槽是常用的除渣措施，而在铸铁件生产中则常用带有离心集渣包的浇注系统。金属流入集渣包因断面积突然增大，流速降低并在集渣包内产生旋涡，使密度较小的渣团向旋涡中心集中并浮起。（4）横浇道的结构形状横浇道的断面形状，可有圆形、半圆形、梯形等多种形式。以圆形的热损失最小和流动最平稳，但造型工艺较复杂。为了使直浇道与横浇道和内浇道连接方便和造型工艺简单，一般都采用高度大于宽度（高宽1215）的梯形断面的横浇道。4液态金属在内浇道中的流动情况内浇道是浇注系统中把液体金属引入型腔的一个单元。其功用是控制充型速度和方向，分配液态金属，调节铸件各部位的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。因此内浇道的位置、数量、尺寸大小等对铸件的质量有很大的影响。（1）内浇道与横浇道的相对位置是否正确，对浇注系统的稳流和挡渣作用影响极大。为了浮渣和挡渣，第一个内浇道不要离直浇道太近，最后一个内浇道距横浇道末端要有一定距离。而在高度方向上，内浇道一般应置于横浇道的中部，其底面与横浇道的底面平齐。（2）内浇道与铸件的相对位置和内浇口数量的选择应服从所选定的凝固顺序和补缩方式。为使铸件实现同时凝固，对壁厚不太均匀的铸件，内浇道应开设在薄壁处；对壁厚均匀的铸件则应开设较多的内浇道，并且分散、均匀地分布。为使铸件实现顺序凝固，内浇口应设在有冒口的厚壁处，最好是通过冒口进入型腔，使冒口的温度较高，使厚大部位得到补缩。对于较高大的铸件，则应首先保证铸件自下而上的顺序凝固，水平方向上同时凝固，内浇道位置应尽可能使水平方向的温度分布均匀，通常把内浇道均匀地设置在铸件的薄壁处，在厚壁部位放置冷铁。（3）液流不要正对着冲击细小砂芯和型壁，以避免因飞溅、涡流等使铸件产生氧化夹渣、气孔和夹砂等缺陷。导入位置应选择沿着型壁方向，必要时切向引入，使金属液快速、平稳而均匀地充满型腔。（4）应仔细分析液流在型腔中的流动情况，其开设位置应使金属液在型腔中流程尽量短。（5）内浇道位置最好选择在铸件平面或凸出部位，以利于铸件的清理和打磨。（6）内浇道的形状多为扁矩形。其宽度和厚度之比应按铸件壁厚和所要求的凝固形式而定。一般情况下，尽量采用薄的内浇道，其厚度为铸件壁厚的1/22/3。在铝、镁合金铸件生产中，对某些局部厚大部位，需要内浇道直接起补缩作用，内浇道结构形状及厚度则不受此限制。5液态金属通过过滤装置的流动情况在浇注系统中常用的过滤方法有（1）过滤网过滤铸造生产中常使用的过滤网是将耐热纤维织成的过滤网布（网眼尺寸为22MM），用数层叠放在横浇道的搭接面上。而在铝、镁合金铸件生产中也常使用厚度为0205MM的钢片冲制而成的过滤网，过滤网可将大部分杂质阻留于过滤网前。同时由于液流通过网孔时遇到过滤网的阻力和断面突然扩大，使流动速度降低，也有利于使一部分已挤过网孔的气泡和杂质上浮而阻留于过滤网背后的浇道中。过滤网的放置对挡渣效果影响很大，一般过滤网有如图18所示的几种放置位置。为了避免减少浇道的有效截面积，安置过滤网处的浇道应局部放大。浇道截面积局部放大程度，可用下式计算BAF原扩（11）式中，F扩为浇道扩大部分的截面积；F原为浇道原来的截面积；A为过滤网的孔洞率；B为过滤网的通过效率，孔小而密的过滤网，B90，孔大而稀的过滤网B80。（2）过滤片过滤国内外近年来采用泡沫陶瓷过滤片滤除合金液中的杂质，对滤除非金属夹杂物效果很好，当采用细孔泡沫陶瓷时，甚至可以滤除1M的夹杂物。过滤片孔隙尺寸越小，厚度越大，过滤压力越小，效果就越明显。泡沫陶瓷过滤片适用于多种铸造方法，如砂型铸造、金属型铸造和低压铸造等。过滤片通过以图19所示的两种方式安放在浇注系统中的各个部位。金属液流经过滤片时，增加了局部阻力。为了保证一定的充型速度，应将放置过滤片处的截面积扩大或增加直浇道的高度以提高静压头。（图19泡沫陶瓷过滤片在浇注系统中的放置位置）第二节浇注系统的设计一、浇注系统的类型及应用浇注系统类型的选择是正确设计浇注系统的重要问题之一。它与铸件的合金成分、结构、大小、技术要求和生产要求有关。1按液态金属导入铸件型腔的位置分类（1）顶注式（又称上注式）浇注系统以浇注位置为基准，金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统称为顶注式浇注系统，常见的顶注式浇注系统如图110所示（图110顶注式浇注系统）。顶注式浇注系统的优点是1）液态金属从铸型型腔顶部引入，在浇注和凝固过程中，铸件上部的温度高于下部，有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用。2）液流流量大，充型时间短，充型能力强。3）造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。顶注式浇注系统最大的缺点是液体金属进入型腔后，从高处落下，对铸型冲击大，容易导致液态金属的飞溅、氧化和卷入气体，形成氧化夹渣和气孔缺陷。顶注式浇注系统适用于质量不大、高度不高、形状简单的中小铸件，铝合金和镁合金铸件在使用顶注式浇注系统时必须考虑液流在型腔内下落高度不能太大。（2）底注式（又称下注式）浇注系统内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统，这种浇注系统的优点是1）合金液从下部充填型腔，流动平稳。2）无论浇道比多大，横浇道基本处于充满状态，有利于挡渣。这种浇注系统的缺点是1）充型后铸件的温度分布不利于自下而上的顺序凝固，削弱了顶部冒口的补缩作用。2）铸件底部尤其是内浇道附近容易过热，使铸件产生缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。3）充型能力较差，对大型薄壁铸件容易产生冷隔和浇不足的缺陷。4）造型工艺复杂，金属消耗量大。底注式浇注系统的这些缺点，通过有关工艺措施可加以解决，例如采用快浇和分散的多内浇道，底部使用冷铁，用高温金属补浇冒口等措施，常可收到满意的结果。底注式浇注系统广泛应用于铝镁合金铸件的生产，也适用于形状复杂，要求高的各种黑色铸件。常见的底注式浇注系统如图111所示。其中B）型牛角式浇注系统造型工艺复杂，只有在铸造中小型质量要求较高的铸件时，用一般的底注式难以解决时，才考虑使用。（图111底注式浇注系统）（3）中注式浇注系统这种浇注系统的液态金属引入位置介于顶注和底注之间（图112），其优、缺点也介于顶注与底注之间。它普遍应用于高度不大、水平尺寸较大的中小型铸件，在铸件质量要求较高时，仍应控制合金液的下落高度即下半型腔的深度。采用机器造型生产铸件时，广泛使用中注式浇注系统。此时多采用两箱造型，内浇道开在分型面上，工艺简单，操作容易。（图112中间注式浇注系统）（4）阶梯式浇注系统在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式浇注系统（图113）。结构设计合理的阶梯式浇注系统应有以下优点金属液自下而上充型，充型平稳，型腔内气体排出顺利。充型后上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的补缩。充型能力强，易避免冷隔和浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。（图113阶梯式浇注系统）阶梯式浇注系统的主要缺点是造型复杂，有时要求几个分型面，要求正确的计算和结构设计，否则容易出现上下各层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象，或底层进入金属液过多，形成下部温度高的不理想的温度分布。阶梯式浇注系统适用于高度大的大中型铸钢件、铸铁件。在铝合金、镁合金铸造生产中为了提高顶部冒口中金属液的温度，增强补缩作用，也可采用两层阶梯式浇注系统（即底层充填铸件，上层充填冒口）。（5）缝隙式浇注系统合金液由下而上沿着整个铸件高度开设的垂直缝隙状内浇道，平稳地进入型腔，这种浇注系统称为缝隙式浇注系统（图114）。缝隙式浇注系统的优点是1）液流充型过程十分平稳，不仅不会产生新的氧化夹渣，而且有利于熔渣上浮于立筒和铸件顶部的冒口中。2）在理想情况下，由缝隙进入型腔的金属液每增加一层，其温度都比下一层高，从而建立了类似顶注式的温度分布，有利于铸件自下而上的顺序凝固，有利于上部冒口的补缩。缝隙式浇注系统的缺点是消耗液体金属多，工艺出品率低，浇道的切割既麻烦又费工。缝隙式浇注系统广泛应用于轻合金铸造中，尤其对于缩松倾向较大的镁合金铸件来说，它是常用的浇注系统类型之一。但由于切割困难、在铸钢件、铸铁件生产中较少应用。（图114缝隙式浇注系统）2按浇注系统各单元断面积比例分类浇注系统按直浇道、横浇道及内浇道断面积的比例关系，可分为收缩式、扩张式和半扩张式三种。（1）收缩式浇注系统直浇道、横浇道和内浇道的断面积依次缩小（即F直F横F内）的浇注系统称为收缩式浇注系统。液态金属在这种浇注系统中流动时，由于浇道截面积越来越小，流动速度越来越大，从内浇道进入型腔的液流，流动速度很大，对型壁产生冲击，易引起喷溅和剧烈氧化。但此种浇注系统在充型的最初阶段直至整个充型过程，都保持充满状态，金属液中的渣子易于上浮到横浇道上部，避免进入型腔。此外，这种浇注系统所占体积较小，减少了合金的消耗。这种浇注系统主要用于不易氧化的铸铁件。（2）扩张式浇注系统直浇道、横浇道和内浇道截面积依次扩大的浇注系统（即F直F横F内）称为扩张式浇注系统。扩张式浇注系统的特点和收缩式恰恰相反，其主要优点是金属液在横浇道和内浇道中流速较慢，在进入型腔时流动平稳。不足之处是横浇道在充填初期不易充满，在开始阶段浮渣作用较差，易氧化的铝合金和镁合金要求液流平稳，大、中型铸件一般都采用扩张式浇注系统。（3）半扩张式浇注系统F直F横F内，而且F内F直的浇注系统叫半扩张式浇注系统。其优缺点介于扩张式与收缩式之间，液流比较平稳，充型能力和挡渣能力比较好，适合于一般小型、结构简单铸件。在浇注系统设计中，其浇道比对铸件质量有较大的影响，所以正确选择浇道比也是浇注系统设计中一个重要内容。在生产实践中，对浇道比的选择已积累了不少经验，也有不少专著文献。但由于铸件结构、生产工艺等具体条件不同，很难归纳出一个行之有效，简单易行的确定方法。有关资料和设计手册也列举了不同合金、不同结构铸件的浇道比，可供选择时参考。二、浇注系统的尺寸计算在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。目前大都采用水力学近似公式或经验公式计算出浇注系统的最小截面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比，确定各单元的尺寸和结构。1按流体力学公式计算浇注系统以流体力学为基础的计算方法，是把合金液视作普通流体，浇注系统视为通道，对于扩张式浇注系统，其最小断面积为直浇道底部的横断面积。如果以浇口杯中的合金液面为一端，直浇道出口处为另一端，在两个断面之间应用伯努力方程则可推导出计算浇注系统最小断面积的公式为PHGF043/MIN（12）式中，G为名充填铸型的液体金属重量（KG）；F为直浇道出口处的断面积（CM2）；为流量消耗系数；为浇注时间（S）；为液体金属的密度（G/CM3）；HP为平均计算静压头（CM）对于收缩式浇注系统，其最小断面积为内浇口的截面积，用伯努力方程也可推导得到以上计算公式，按此公式，仔细确定式中各因素的数值，即可算出浇注系统的最小截面积。（1）G和的确定在计算的铸件确定以后，即已确定。铸件图上一般已标出了铸件的重量，再加上浇注系统和冒口的重量即为G值。但此时浇注系统和冒口尚未设计出，可根据经验对铸件重量乘以适当的系数来求得。对铝镁合金、铸钢件G值一般为铸件重量的23倍，铸铁件为1114倍。（2）流量系数值的确定是合金液在充填浇注系统和铸件型腔的过程中，由于遇到各种摩擦阻力、水力学局部阻力和合金液与铸型的热作用、物理化学作用等的影响，引起液流速度下降，流量消耗的一个修正系数。影响值的因素很多，难于用数学计算方法确定，一般都按生产经验和参考实验结果选定。铸铁和铸钢件的流量系数在025050之间选取。对于航空铝、镁合金铸件所用的扩张式浇注系统，其值可在0307之间选取。实际铸造时可根据铸件合金种类、浇注温度和铸件结构选择。（3）浇注时间值的确定合适的浇注时间应根据铸件的具体结构、合金种类和铸造工艺方法来确定。有关资料中列举了大量的计算浇注时间的经验公式和图表可供设计时选用。这些公式大部分不很完善，铸铁等不易氧化的合金铸件，主要依据铸件重量来定。而航空产品铝合金和镁合金铸件常以液面在型腔中适宜的上升速度为确定浇注时间的基本依据。（4）平均计算静压头HP的确定金属液平均计算静压头依简单的水力学推导可得出如下公式CPHP2（13）式中，H为内浇道以上至浇口杯中合金液面的高度（CM）；P为内浇道以上型腔高度（CM）；C为铸件型腔的总高度。在确定了、及HP之后，就可用公式（13）求出浇注系统的最小截面积（如计算收缩式浇注系统，最小断面积应是内浇道出口处的断面积），再按已选定的浇注系统各单元断面积之比以及各单元的结构形式即可初步确定浇注系统的具体尺寸。由于在最初计算时预定的G、的数值是估算值，并且各单元断面积的实际比例与选定的也有出入，所以计算结果还需经过验算和调整。2用反推法确定浇注系统截面尺寸对铝、镁合金类易氧化的合金铸件的生产实践证明内浇道的位置、数量、断面形状和大小对铸件质量影响很大，采用上述方法，有时不能满足实际生产的要求。因此，在生产实践的基础上成功地总结出利用“反推法”来确定浇注系统各单元的尺寸。所谓“反推法”，就是根据铸件的具体生产工艺、首先确定内浇道的数量及其断面积的大小，然后根据内浇道的总断面积和已选定的浇道比，再确定其它单元的尺寸和结构，其具体步骤如下1）根据铸件结构特点，选择浇注系统的类型和结构形式。2）根据合金种类、铸件结构特点和生产工艺等具体情况，凭经验确定内浇道的数量和总断面积。一般都根据现场生产经验数据，通过归纳和总结，制定出表格形式，供设计同类铸件的浇注系统时选用。各种资料列举的表格很多，此处不再一一详述。3）根据与内浇道相连接的铸件壁厚，选择内浇道的厚度、宽度和长度。4）根据铸件特点选择浇道比，确定横浇道直浇道等各单元的尺寸。3缝隙式浇注系统的尺寸计算缝隙式浇注系统的常见的结构形式如图115所示，这种浇注系统的作用和效果主要取决于立缝和立筒的结构形式及尺寸大小，它的设计方法与一般的浇注系统不同，如果把立缝和立筒视为一般的内浇道和集渣道来依次进行计算的话，不仅达不到预期目的，甚至会出现相反的结果。缝隙式浇注系统的设计步骤和方法大致如下。（1）立缝数量和位置的确定确定立缝的数量，首先应考虑对铸件要有充分的补缩作用。如果立缝数量不足，超出立缝补缩的部位将因组织不致密而使机械性能降低，或因产生缩松而使铸件报废。增加立缝的数量不仅使铸件得到补缩，还能使水平方向的温度分布更趋均匀，这对获得优质铸件有重要的意义。立缝数量的增加，显然会使金属液的消耗、立缝的切割和清整工作量增加，提高了铸件生产成本。立缝数量主要取决于铸件外廓尺寸和铸件的质量要求，对于中等大小的铸件，立缝数量一般可按下列经验公式确定。PN02416（14）式中，N为立缝的数量；P为铸件外廓周长（MM）；为立缝的厚度（MM）。上式