铸件均衡凝固技术

1、1 铸件均衡凝固技术铸件均衡凝固技术 及其应用及其应用 主讲：河北工业大学材主讲：河北工业大学材 料加工与控制系料加工与控制系 李日李日 2 铸件均衡凝固技术及其应用 第一章 铸铁件均衡凝固理论及相应的冒 口设计技术 第二章 铸铁件冒口补缩设计及应用 第四章 浇注系统大孔出流理论与设计 3 第一章 铸铁件均衡凝固理论及相 应的冒口设计技术 均衡凝固理论基本思想分析冒口的大小 接触热节冒口的位置 灰/球铁补缩方式的微观过程分析均衡凝 固过程的微观机理 铸铁件均衡凝固工艺原则 返回 4 第一节 均衡凝固理论基本思想分 析冒口的大小 传统灰铸铁传统灰铸铁/ /球铁件的冒口设计方法分析球铁件的冒口设计

2、方法分析 铸铁件收缩和补缩的特点 返回 5 传统灰铸铁传统灰铸铁/ /球铁件的冒口设计方法分析球铁件的冒口设计方法分析 传统灰铸铁/球铁件的冒口设计方法主要有： 类似铸钢冒口的模数法、直接实用冒口、控 制压力冒口。 1）用类似铸钢冒口的模数法来设计铸铁冒 口，忽略石墨化膨胀，设计出的冒口偏大， 出品率很低，而且出现了越补越缩的现象， 所以要寻求新的更好的方法。 2）直接实用冒口是根据铸铁合金的凝固过 程的收缩膨胀特性来计算冒口（如图3-5-20）。 返回 6 该种冒口是补缩铸件的液态（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。计算冒口时用液态收缩值，并认为该 值是不变的

3、。 控制压力冒口对湿砂型来说，只适合球 铁件模数0.48cm，灰铁件模数0.8 ，则分体1可通过分体2把多 余铁水输送给安放在分体3上的冒口内，这时 只需要安放一个冒口； 若 M2/M10.8 ，则要在分体1、3上分别 安放冒口。 11 返回 12 适用于湿型中铸造模数0.482.5cm的球铁件; 模数0.752.0cm的灰铁件，要求硬度85。 计算冒口时用恒定的收缩膨胀值。用经 验曲线计算。 结论：如果铸铁的收缩膨胀值是均一恒定的， 则可以进行有规律的计算，但实际情况如何 呢？ 返回 13 铸铁件收缩和补缩的特点 实验表明（教材pp1，图1-1)，铸铁件体收 缩不仅与合金化学成分、浇注温度有

4、关， 还依赖于冷却速度，而冷却速度的表现是 铸件结构和壁厚、铸型条件。可以发现的 规律是： 1）铸铁件的收缩值不是铸铁合金材料的收 缩值，而是一个变化量。铸铁合金材料的 体收缩是用标准小试样测定的，而铸件的 真实收缩的定量数据是无法测量的，因为 铸件不同部位冷却速度不同，收缩膨胀情 况不同；返回 14 2）冷却速度大，体收缩大，越需要补缩； 3）在一般砂型铸造条件下，越是薄小件， 收缩值越大，越要强调补缩；越是厚大件， 收缩有减小的趋势。表明大件却要小冒口 补缩，与铸钢件相反（图1-4）。 问题：那么如何设计灰/球铁件的冒口呢？ 如何寻找其补缩的定量规律呢？ 15 铸铁件的宏观收缩与膨胀的规律

5、 1）铸钢件冒口是补缩哪部分收缩呢？A.铸件 缩尺已将固体收缩考虑在内；B.冒口补缩的 是液态收缩和凝固收缩； 2）铸铁件冒口也可以一锅端，全保险，忽略 石墨化膨胀，即传统模数法； 3）但可以仔细研究整体铸件的宏观凝固规律， 寻找更好的冒口计算方法收缩与膨胀动态 叠加曲线（图1-2）。 4）各种合金铸件的收缩膨胀叠加图 16 5）从胀-缩动态曲线可知：铸件冷却凝 固至均衡点P之前，必须靠外部补缩，到 达P点之后，不需要补缩了。所以 则建立Mr与MAP之间的关系即可有 限补缩。 2 AP AP AP K M APr 返回 17 第二节 接触热节冒口的位置 接触热节的产生 中性热节 接触热节的防止

6、和消除 返回 18 接触热节的产生 19 取上图中平板铸件边长130mm，厚度25mm， 改变圆柱形冒口直径，在湿砂型条件下测定 不同位置的凝固时间如表1-3。 20 结论：1. 传统冒口设计取冒口直径为几 何热节的1.5倍，实际是增大了冒口根部 的热节圆；2. 即使冒口有斜度，但也存 在根部上附近部分直径小于根部直径的 危险性，造成根部容易产生缩孔、缩松 缺陷。 返回 21 中性热节 22 接触热节的防止和消除 1）冒口不要放在几何热节上，离开热节， 又要靠近热节，使即防止热干扰又保证补缩； 2）用侧冒口代替顶冒口，如压边冒口、飞 边冒口、耳冒口等。避免采用圆柱形、方形 和腰圆形顶冒口； 3

7、）在冒口下面、铸件的侧面安放冷铁，冒 口补缩，冷铁消除接触热节（图1-7）； 4）将冒口颈作成中性棒体尺寸； 5）从中性尺寸开始缩小冒口颈，加大冒口 体。 返回 23 第三节 灰/球铁补缩方式的微观过程 分析均衡凝固过程的微观机理 铸铁件补缩 方式分析 铸铁件的树枝 晶凝固与收缩 铸铁件的自 补缩方式 返回 24 铸铁件 的树枝 晶凝固 与收缩 1.树枝晶凝固是缩孔缩松形成的主因(灰/球铁) 2.收缩 缺陷的 形成 缩孔:热节部位,补缩通道堵塞而致 缩松 宏观缩松:缩孔下面,几何热节 中心;枝晶生长后期,枝晶间液 体受到外部抽吸所致,是液体 流动传输的结果. 微观缩松:枝晶间液体自身收 缩的结

8、果,并无液体的传输流 动. 返回 25 宏观通道补缩:石墨化膨胀 胀破固体壳层,补缩,一般 无良好效果. 铸铁件 自补缩 方式 1.均衡补缩:最理想的补缩 2.通道补缩 3.固体挤压补缩 显微通道补缩:补缩缩松区 (宏观缩松) 球团未接触前 球团接触后 在保证球墨铸铁件组织致密性方面发挥着重要作用 缩孔缩孔,宏观缩松可用冒口补缩。微观缩松不可用冒口补缩。宏观缩松可用冒口补缩。微观缩松不可用冒口补缩。 显微补显微补 缩通道缩通道 是枝晶是枝晶 臂间固臂间固 有的，有的， 宏观补宏观补 缩通道缩通道 是膨胀是膨胀 压力挤压力挤 出来的出来的。 返回 26 返回 27 返回 28 返回 29 返回

9、30 31 返回 32 33 34 35 返回 36 返回 37 缩孔的位置不在热中心 处，而是靠近热中心处。 38 缩孔形成时间处于： 初晶凝固末期和共晶体凝固阶段 返回 39 宏观缩松一般位于缩孔下面，处于几何中心，发生宏观缩松一般位于缩孔下面，处于几何中心，发生 的时间稍后于缩孔，从时间上看，宏观缩松与显微的时间稍后于缩孔，从时间上看，宏观缩松与显微 缩松分别是在共晶膨胀之前和之后形成的。缩松分别是在共晶膨胀之前和之后形成的。 返回 40 宏观缩松由于宏观缩松由于 枝晶间液体受枝晶间液体受 到外部抽吸所到外部抽吸所 致，是液体传致，是液体传 输的结果，而输的结果，而 微观缩松是枝微观缩松

10、是枝 晶间液体自身晶间液体自身 收缩的结果，收缩的结果， 并无液体的传并无液体的传 输流动。故而，输流动。故而， 显微缩松用外显微缩松用外 部冒口补缩较部冒口补缩较 难，宏观缩松难，宏观缩松 仍可用外部冒仍可用外部冒 口加以补偿。口加以补偿。 返回 41 返回 42 缩松或局部缩缩松或局部缩 孔邻近区域的孔邻近区域的 盈余铁液会通盈余铁液会通 过枝晶间的显过枝晶间的显 微通道补缩它微通道补缩它 们。们。 由图可见，中心共晶组 织细小，与周围粗大枝 晶分界明显。 返回 43 铸件顶部缩凹中的铁豆，是指向铸件顶部缩凹中的铁豆，是指向 铸件外层的液体流动传输的结果铸件外层的液体流动传输的结果 44

11、缩孔中挤入铁豆，铁缩孔中挤入铁豆，铁 豆没能把缩孔挤满，豆没能把缩孔挤满， 和缩孔壁之间保持着和缩孔壁之间保持着 间隙，呈冷隔形。铁间隙，呈冷隔形。铁 豆分两部分，金相组豆分两部分，金相组 织不同，表明是不同织不同，表明是不同 地方而来，说明补缩地方而来，说明补缩 通道不仅一条。观察通道不仅一条。观察 发现铁豆很少完全充发现铁豆很少完全充 填缩孔。缩孔的克服填缩孔。缩孔的克服 应着重于早期的外部应着重于早期的外部 冒口。冒口。 45 通道凝固时石墨数量多，分枝发达，没有初生枝晶，为典型的通道凝固时石墨数量多，分枝发达，没有初生枝晶，为典型的 共晶组织。通道以外（上下部位）枝晶密布，石墨少而小。

12、共晶组织。通道以外（上下部位）枝晶密布，石墨少而小。返回 46 返回 47 返回 48 灰铸铁输送距离 球铁输送距离 返回 49 第四节 铸铁件均衡凝固工艺原则 均衡凝固的定义 均衡凝固的工艺原则 均衡凝固与顺序凝固的异同 均衡凝固与同时凝固的异同 返回 50 均衡凝固的定义 铸铁铁液冷却时要产生体积收缩，凝固时析 出石墨产生体积膨胀。均衡凝固就是利用膨 胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的 外部补缩，采取工艺措施，使单位时间的收 缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝 固工艺原则。 返回 51 二、均衡凝固的工艺原则 1）铸铁件的收缩值是不确定的，不能根据合 金的种类和牌号给出一个确定的收

13、缩值来决定 冒口尺寸、铸铁件的收缩值不仅和合金成分、 浇注温度有关，还和铸件的大小、结构、壁厚、 铸型种类、浇注工艺方案及参数有关。 2）越是薄小件越是要强调补缩，补缩措施可 以利用浇注系统（对薄小件），也可以利用专 设的冒口（对 厚小件）。厚大件补缩要求低， 可以用小冒口、有限冒口和无冒口 艺。 返回 52 3）任何铸铁件的补缩工艺设计，都应该以自 补缩为基础。一个需要设置冒口补缩的铸件。 也要充分利用石墨化膨胀自补缩，冒口只是补 充自补不足的差额、为此，铸铁件的冒口不必 要晚于铸件凝固，冒口在尺寸土或模数上可以 小于铸件的壁厚或模数。 4）铸铁件的冒口不应该也不能放在铸件的热 节上。冒口要

14、靠近热节以利于补缩，冒口又要 离开热节，以减少冒口对铸件的热干扰。冒口 离开铸件的几何热节，是均衡凝固工艺的关键 技术之一、均衡凝固工艺特别强调内浇道根部、 冒口根部和铸件热节不能重合。 5）浇冒口的开设要避免形成接触热节这对一 切合金都适用。 53 6）铸铁件冒口自成系列、耳胃口、飞边冒口的目 口颈短、薄、宽，是溢流冒口和无冒口铸造保险 冒口的理想型式。 7）铸件的厚壁热节放在浇注位置的下部，厚薄相 差较大时，厚壁处安放冷铁，铸件可不安放冒口、 如果大平面处于上箱。可采用溢流胃口来保证大 平面的表面质量。 8）采用冷铁平衡壁厚差，消除热节。冷铁的作用 除防止铸件厚壁、热节处缩松外，还可以使铸

15、件 的一部分石墨化膨胀提前，有利于胀缩的早期叠 加，使均衡点提前，减小冒口尺寸。为此，冷铁 不仅对安放冷铁的部位有作用，而目对铸件的整 体亦有增强自补缩的作用。 54 冷铁材质以普通灰铸铁为优。应该规定冷 铁的使用次数、冷铁重复使用后，由于表面氧 化脱石墨，形成微观孔洞和裂纹，使激冷能力 下降，易与铸件熔接粘连，使铸件安放冷铁处 产生气孔。 9）调节铸件温差，薄壁处保温与厚壁处安放 冷铁具有相同的工艺效果。 10）优先采用顶（上）注工艺，使先浇入的铁 液尽快静止下来，提前石墨化膨胀，以提高自 补缩的利用程度。对圆形铸件，在不冲击中间 芯子的前提下，优先采用径向和轴向引人，而 避免采用切向引入。

16、切向引入，铁液在铸型内 不停地旋转，一是不平稳，二是铁液不能尽快 静下来，会降低自补缩利用程度。 返回 55 均衡凝固与顺序凝固的异同 均衡凝固与顺序凝固都强调铸件的补缩。均 衡凝固的补缩技术，更强调铸件的自补缩， 冒口只是补充自补不足的差额，冒口不必晚 于铸件凝固，冒口不应该放在铸件的热节上 。 冒口的补缩是有限的。顺序凝固强调冒口要 晚于铸件凝固，冒口安放在铸件最高的厚实 部位热节上。均衡凝固的冒口尺寸较小，工 艺出品率提高；由于冒D不放在热节上，可 以消除冒口根部的缩孔、缩松缺陷，减少废 品。 返回 56 均街凝固与同时凝固的合同 均衡凝固和同时凝固都强调浇注系统或冒口要 从铸件薄壁处引

17、入，使铸件不同部位的温差减 小，以避免局部过热。同时凝固强调的是减小 应力、裂纹与变形，而不考虑补缩。均衡凝固 则是从补缩出发，强调小件、薄壁件、壁厚均 匀件的补缩，但浇冒口又不安放在铸件的热节 处，在有效补缩的同时，也减小了应力、变形 和裂纹趋势。采用均衡凝固工艺原则设计薄小 件工艺，可以大大减少缩孔缩松等废品缺陷， 提高铸件的内在质量。 返回 57 第二章 铸铁件冒口补缩设计及应用 基于均衡凝固原理的铸铁件冒口设计概 论 均衡凝固理论的冒口设计方法 铸铁件冒口类型及结构 冒口设计的工程应用举例 返回 58 第一节基于均衡凝固原理的铸铁件冒 口设计概论 灰铸铁和球墨铸铁件（以下简称铸铁件）应

18、该以浇 注系统后补缩和石墨化膨胀自补缩为基础只是由于 铸件本身结构、合金成分、冷却条件等原因，不能 建立足够的后补缩和自补缩的情况下才应用冒口。 一个需要设置冒口补缩的铸件，也必须充分利用后 补缩和自补缩，冒口只是补充后补和自补不足的差 额。 铸铁件的冒口设计应满足以下条件： 冒口要晚于铸件收缩时间AP凝固，即冒口的模数 MR要大于铸件的收缩模数MS。 冒口所能提供的补缩液量应大于铸件表观收缩值， 铸件表观收缩值等于铸件体积VC与补缩率FC的乘积。 返回 59 冒口和铸件连接形成的接触热节要小于铸件的几 何热节，不要因为设置冒口而延长铸件的收缩时间 和凝固时间。为此，冒口不要开设在铸件的几间热

19、 节上。 冒口和铸件需要补缩的分体之间要存在补缩液体 流动的通道，补缩通道的模数应不小于铸件的收缩 模数。 冒口体内要有足够的补缩压力，使补缩液体定向 流到需要补缩处以克服流动阻力，并保证铸件在凝 固过程中一直处于正压状态，即冒口停止补缩时冒 口中还有一定的残余铁液压头。 铸铁件的冒D颈要短、薄、宽。 因此铸铁件均衡凝固有限补缩冒口设计在冒口 位置、冒口大小、冒口补缩时间等方面都和铸钢件 顺序凝固有显著的不同。 返回 60 第二节 均衡凝固理论的冒口设计 方法 传统冒口设计内容与均衡凝固设计内容对比 均衡凝固冒口尺寸的计算理论 均衡凝固冒口颈尺寸计算理论 均衡凝固理论下的整体补缩液量校核 冒口

20、位置和个数的确定 返回 61 传统冒口设计内容与均衡凝固设计内容对比 1. 冒口设计内容 1)冒口尺寸计算 2）冒口颈尺寸计算 3）补缩液量校核 4）冒口位置:对铸铁来说,不放在 几何热节上,应放在均衡段上 recr VVVV)( 2. 通用冒口设计 cr 返回 62 3. 铸铁件冒口设计 因为铸铁要补缩的 是右图阴影部分收 缩，所以对应于通 用冒口设计，其设 计内容为： 铸铁件冒口设计 APr recrc VVVVF)( 均衡段选取：考虑接触热节 返回 63 均衡凝固冒口尺寸的计算理论 1. 冒口尺寸设计 对铸铁件来说，冒口只需要补缩ABP部 分收缩，则 而 APR 2 RR KM 2 AP

21、AP KM 22 APR MM 返回 64 APR MfM 1 则 MAP难于确定，必须用MC来代替，故 2 2 C AP c AP KM KM CCAPAP MM/ CAP P/令 P为收缩时间分数 Pf 2 令 f2为收缩模数因数 APR MffM 21 则需要求出P，然后求出f2 65 收缩时间分数P通过试验回归求出 66 )01. 05 . 0( 0 . 1 mc QM c e P 灰铸铁收缩时间分数 回归方程： 球墨铸铁收缩时间 分数回归方程： )01. 065. 0( 0 . 1 mc QM c e P 67 然后将冒口补缩终止前的最后压力也考虑进 去，引入压力因数f3，那么 MR

22、=f1 f2 f3 Mc f3选取见下表2-9。 返回 68 均衡凝固冒口颈尺寸计算理论 冒口颈中不断地流过热的金属液，所以 凝固时间即使在小尺寸下也很长，其模数是 动态增长的，直到铸件到达均衡点。所以要 求冒口颈模数应等于补缩对象的收缩模数即 Mn=Ms，但Mn是动态增长的，所以Mn在几何 上要小于Ms，引入流通效应系数fp，那么 Mn= fp Ms= fpf2Mc 冒口颈的理想状况是在铸件停止抽吸金 属液前即在补缩时间内无降温、无凝固，是 一个光滑的通道，就是要在此时间段内保持 动态模数Ms，所以也要求冒口的残余模数为 Ms，否则冒口提前冻结，无法补缩。 69 冒口颈的自适应调节作用：1）

23、在补缩对 象的收缩时间内，冒口颈中液态不断更新， 不会冻结凝固，这要求冒口颈要短；2） 在补缩对象刚停止表观收缩，让冒口颈及 时冻结，要求冒口颈要薄（即模数小、易 凝固）；3）在铸件收缩抽吸金属液时， 要有足够的金属液及时补充进去，所以要 求有足够的截面积，这就要求冒口颈要宽。 70 冒口颈与收缩模数直接相关冒口颈与收缩模数直接相关，则MNf2Mc， 与金属液流通效应有关与金属液流通效应有关，设fp为流通效应因 数，则MNfpf2 Mc，根据生产统计结果， fp取值为： 一般情况：0.450.65 热冒口大铸件：0.45 热冒口小铸件: 0.50 冷冒口: 0.500.65 冒口颈还与其长度有

24、关，取f4为冒口颈长度 因数，则最终冒口颈表达式为： MN=fpf2 f4 Mc 71 f2取值与冒口相同，f2=P 返回 72 均衡凝固理论下的整体补缩液量校核Fc Fc与合金的体收缩率不同，均衡凝固中的补 缩率不仅与合金体收缩率有关，还与浇注条 件、浇冒口安放位置、铸型冷却特性及铸型 硬度等工艺条件及补缩对象的结构有关，属 动态特性。 （Vc+VR)FcVR Fc用统计回归求得。 返回 73 74 )01. 025. 0( 5 . 6 mc QM c e F 灰铸铁补缩率Fc的 回归方程： )01. 050. 0( 0 . 8 mc QM c e F 球墨铸铁补缩率Fc的 回归方程： 75

25、 实际生产中，许多情况是浇注系统和冒口联 合补缩方式，浇注系统提供的补缩液量占铸 件所需要补缩液量相当的比例，扣除浇注系 统提供的补缩液量，剩余的差额才由冒口提 供。浇注系统提供的补缩液量可用浇注系统 保持畅通时间占铸件收缩时间的分数表示， 有 cc sR s g FV MfS M M f 3 2 2 * 1 )1 ( 1 76 式中 Mg直浇道、横浇道凝固模数中最小值 Ms主见收缩模数； SR_冒口散热表面积； f1*校核冒口平衡因数； 当f1*f1时，冒口设计是安全的。当 f1*f1时，冒口设计偏大；当f1*f1时，冒 口设计偏小，建议重新设计冒口，f1的取值建 议按下式计算： 2 )2

26、.1 ( * 1 1 f f 返回 77 冒口位置和个数的确定 冒口位置的确定原则是冒口既要靠近铸件或补缩对 象的热节分体，又要离开该热节分体、推荐采用均 衡段来确定合适的冒口位置、如图218所示，实线 图表示未设置冒口的补缩对象几何模数；虚线圆表 示设置冒口以后的动态凝固模数；v表示冒口可能的 设置位置。如果2#分体是该补缩对象的均衡段，而 冒口设置于2#分体上，则由于接触热节、流通效应， 2#分体的动态凝固模数增加如虚线圆所示，当这种 动态模数增加不致于超过该补缩对象热节分体的凝 固模数时，则该阶梯铸件（补缩对象）的凝固时间 不变，补缩设计中的M不变即该补缩设计是可靠的。 如果直接将冒口设

27、计于热节分体1#上则1 分体凝固 时间延长，动态凝固模数增加。即Mc增大、这样， 按静态凝固模数Mc进行的补缩设计会由于Mc的动态 增加而丧失可靠性。 返回 78 如果冒口设置于3#分体上，进一步减小了接触 热节和流通效应的影响和作用范围，但是，要 求3#分体的动态模数不能小于该铸件的收缩模 数，同时要来沿补缩通道的2#分体必须是满足 均衡段定义，工程应用中较难控制。 返回 79 冒口个数确定 冒口的个数取决于补缩对象的划分，如果整体 铸件可以作为一个补缩对象，冒口的个数为l; 如果 铸件需要按不同补缩对象划分，那么，冒口的个数 就对应于补缩对象的划分数目。铸件的最少补缩对 象划分，取决于均衡

28、段的计算。如果铸件各分体存 在一个共同的均衡段，从该均衡段到铸件各个热节 分体都存在畅通的补缩通道，则该铸件就可以作为 一个补缩对象来考虑，冒口的设置个数为1。否则， 需要对铸件进行补缩区域划分，每一个划分区域中 的结 构体集合。就是一个独立的补缩对象。 80 如图2-19，该阶梯铸件的收缩模数为Ms ， 如果3# 分体的凝固模数大于Ms，而2# 、 4# 分体的凝固模数也满足大于Ms 的条件， 则3#分体是该阶梯铸件的均衡段，该阶 梯铸件可以作为一个补缩对象，冒口个 数为1。如果3#分体不能满足Mc3Ms条 件，即不满足均衡段定义，那么，该阶 梯铸件应按1#十2#3#和3#4#5#两 个补缩

29、对象来划分。再按新划分的补缩 对象，重新计算各自的Ms，重新确定各 自的均衡段，进而按均衡段确定冒口最 少个数。 81 返回 82 确定冒口位置和个数的基本思想 接触热节是均衡凝固理论冒口位置的基 础； 冒口位置： 1）冒口可以直接放在热节顶部，但由于 接触热节和流通效应，有使热节模数增大的 趋向即动态模数，但冒口设计是按静态模数 设计的，这样使冒口设计的可靠性降低。2） 可以找一个领近的结构分体，若该分体M 分 Ms，则可以保证在AP时间分数里补缩通道 畅通且不延长整体凝固时间，此段则为均衡 段。 83 3）如果找不到另外的分体可以满足均衡 段的要求，则要在热节分体上结合冒口颈确定。 冒口个

30、数确定：首先确定铸件的几何热节 数量，再围绕各个热节确定均衡段，即可确定 冒口个数。 返回 84 第三节 铸铁件冒口类型及结构 概论 冒口类型 推荐的铸铁件冒口类型 冒口类型的应用 冒口标准化结构 返回 85 概论 按照均衡凝固理论，应避免使用冒口颈为接触 处铸件壁厚0.81.0倍的圆柱形、方形、腰圆形热节 顶冒口，热节侧冒口同样也不推荐用于铸铁件的补 缩设计中。 冒口类型 1）热冒口：浇注系统通过冒口将铁液引入型腔的 冒口形式强补缩冒口：压边浇冒口、热侧冒口、 热飞边冒口、热耳冒口等，用于中、小件； 2）冷冒口：浇注系统不通过冒口，冒口中的铁液 来自型腔的溢流，铁液温度比型腔低压边冒口、 飞

31、边冒口、耳冒口、鸭嘴冒口、冷肋冒口等，用于 中大件。 返回 86 推荐的铸铁件冒口类型 1）压边冒口：压边冒口、压边浇冒口、 压边浇注系统，见图2-12a、b。 2）飞边冒口（与侧冒口的主要区别在于 冒口颈）：一般有冒口窝，见图2-12c、d。 3）耳冒口：一般无冒口窝，多为冷冒口， 主要用于中大件。用于小件时，用热耳 冒口形式，见图2-12e、f。 4）侧冒口：冒口颈采用扁方形、立扁方 形结构形式的侧冒口，有热侧冒口、冷 侧冒口，见图2-12g、h。 返回 87 5）鸭嘴冒口：适用于局部热节较大的铸件， 多为冷冒口，如图2-12i。 6）顶缩颈冒口：冒口颈的最大尺寸为冒口 直径的0.5倍。当

32、冒口直径大于 150mm200mm时，推荐采用双冒口颈，又 名眼镜冒口，此时直径为冒口直径的0.25倍， 见图2-12j、k。 7）环形冒口：套筒类铸件比较成熟的冒口 型式，见图2-12l。 88 8）出气冒口：位于冒口高处，兼有标志冒口 的作用，推荐尺寸为：棒形，5mm、 10mm、 15mm、 20mm；片形eW，5 10mm、10 25mm、 15 30mm、 20 40mm。见图2-12m。 9）冷肋冒口：对局部孤立热节，设置冷肋。 棒形冷肋冒口：d=(11.4)Mc，L (510)d； 片形冷肋冒口：e=(0.50.7) Mc,W (510)e, L (510)e； 见图2-12m。

33、 89 冒口类型的应用 以补缩为主时：暗冒口优于明冒口，热冒口优于冷 冒口； 以排渣排除低温铁液为主时：飞边冒口和耳冒口优 于压边冒口； 以出气、激冷为主时：出气冒口、冷肋冒口最为有 效。 另外，冒口的使用受到铸件经构、重量和尺寸的限 制。 1）暗冒口只能放在分型面上 铸件全部在下箱时， 优先选用暗冒口。当铸件部分在上箱时，可选 用明冒口、对于单件小批生产的铸件，为保证 铸件质量，提高工艺出品率，必要时可用多箱 返回 90 造型或增加型芯。 2）对于小件对于小件，可采用热冒口，不仅有利于补缩， 而且不会由于引入集中而使冒口根部出现缩孔 或缩松缺陷。对于较大件对于较大件，为了提高冒口补缩 能力，

34、也可以采用热冒口，但应注意避免集中 从冒口颈进铁液，而应强调有足够数量的内浇 道分散进铁液，这样才不会因为引入铁液过分 集中而使冒口根部出现收缩缺陷。对于厚大件，对于厚大件， 由于本身自补缩能力强，一般选用冷冒口、铁 液流程较长时，不管有无热冒口，均应设置溢 流冒口，让流头铁液溢出，防止 气孔、冷隔、 夹渣等缺陷，溢流冒口以飞边冒口、耳冒口为 主。 91 3）按照铸件的结构特点选择冒口类型当铸 需要强补缩又在可设置热冒口的范围内时， 优先选用压边浇冒口。压边浇冒口充型平稳， 补缩效果好，模样制作、造型操作和铸件清 理方便、应用时，可根据需要调整冒口形状， 用一个冒口补缩多个铸件，从而提高工艺出

35、 品率。当铸件为板类或有大平面朝上时，消 除铸件上表面缺陷显得特别重要。这时，可 优先选用冷飞边冒口或耳冒口，与压边冒口 相比，冷飞边冒口、耳冒口的排渣、排除低 温铁液能力强，在内浇道注入的铁液的冲带 作用下，低温铁液溢流进入内浇道对面的飞 边冒口或耳冒口中。 92 4）当铸件只能放明冒口而又无补缩要求时 可选用出气冒口或冷肋冒口，它具有出气和 冷肋作用；当铸件有补缩要求时，则在明冒 口中优先选用鸭嘴冒口。顶缩颈冒口适用于 高大且壁厚较均匀的铸件。 返回 93 冒口标准化结构 1）标准冒口结构：圆柱形和方形（图2- 13、图2-14）； 2）冒口冒口颈铸件的过渡连接标准 结构（图2-15） 返

36、回 94 返回 95返回 96 返回 97 返回 98 返回 99 返回 100返回 101 102 103 返回 104 冒口设计的工程应用举例 收缩模数列表法冒口设计 分段比例法冒口设计 短薄宽冒口颈设计 冒口设计工程实例 返回 105 收缩模数列表法冒口设计 1. 当补缩液量完全由冒口体提供，且为独立 冒口补缩时 例1: 灰铸铁件Mc=1.0cm, Qm=30kg/cm3, 重量 G=30kg, 现查表确定MN,MR。 解：选定Mc=1.0cm栏，根据线形插值原理算 出冒口颈模数上下限及冒口模数。 例2:灰铸铁件Mc=1.2cm, Qm=30kg/cm3, 重量 G=52kg, 现查表确

37、定MN,MR。 解： Mc介于1.01.5之间， Qm介于2040之间， 首先在Mc栏内插值，再在Mc栏之间插值。 106 2. 当为非独立冒口补缩时，有 多个冒口共同补缩一个铸件的情况，f1为 单个冒口同时补缩多个铸件 1 1 1 1 1 N f f 表 f1表查表得到的独立冒口补缩f1值 N1冒口个数 11 211 Nff）（ 表 N2单个冒口补缩铸件数目 107 浇冒口联合补缩的情况，f1为 经过上述处理后，冒口体设计模数应按公 式计算，不应从表中直接查取。同时，上述 处理仅对f1和Mr有影响，对表中其他值没有 影响。 111 2 2 11 s g M M ff 表 Mg直浇道、横浇道凝

38、固模数中的最小值 Ms表中查取值 返回 108 分段比例法冒口设计 109 110 111 返回 112 短薄宽冒口颈设计 短薄宽是冒口颈自适应调节作用的技术关键， 以冒口颈厚度为基准进行界定。 e=(22.5)MN 冒口颈厚度（mm） W5e 冒口颈宽度（mm） L10时，h=H，孔口出 流速度v2只和液箱高度H有关， 与A1、A2大小无关； 2.当5A1/A210时，hH，但相 差在5%之内, 继续用式（1）计 算误差不大； 3.当A1/A25时，hH，孔口流 速明显减小，液箱流速明显增大。 128 4. 实验表明，浇注系统流速不 仅与压头有关，还与截面积比 有关。 129 浇注系统大孔出

39、流 1. 实际作用压头随截面比的变化 （图4-2) 2. 孔口出流速度随截面比的变化 （图4-3） 3. 大孔出流(large orifice discharge) 定义:直浇道、横浇道、内浇道 截面积比值小于5的浇注系统出 流为大孔出流。 返回 130返回 131 第二节 浇口杯、直浇道、内浇道三 单元浇注系统大孔出流研究 水力模拟实验 数学模型 充填动态参数 返回 132 水力模拟实验 1. 三单元浇注系统水力模拟模型：浇口杯- 直浇道-浇口窝-内浇道模型（图4-4）。 模型用3mm厚有机玻璃制作，模拟介质为 水，20；测压管：9mm玻璃管。 水连续注入加水室，通过泡沫塑料隔板进 入液箱，

40、减小动压头，并使压头H稳定。 2. 实验结果见表4-1 返回 133 数学模型：选择指数曲线类型对实验数据回 归分析，以确定流速与出流压头之间的关系， 结果如下： 1. 内浇道出流速度v2与测压管液柱h的回归关 系:v2 回=38.4h0.48 =0.85,说明用理论公式计算压头是可行的。 gH 2 v 5 . 0 48. 048. 0 2 3 .44 4 .38 2 4 .38 h h gh h 134 2. 直浇道出流速度v1与压头差(H-h)的回归关 系: 回归方程 相关因数 R=0.9782(R0.01=0.590) 显著性 F=6841.8(F0.01(1,16)=8.53) 标准偏

41、差 S=2.86 49. 0 1 )(8 .39hHv 回 5 . 0 1 )( 3 .44)(2hHhHgv 135 试验测定=0.85，用理论计算公式合理。 根据连续性原理，稳定出流时，qv1=qv2 得到 其中k=1A1/ 2A2 85. 0 )(2 )( 8 .39 49. 0 1 hHg hH H k k h 2 2 1 (4-10) 136 由式（4-10）可知： 1）k 0时，hH； 2）A1，A2减小，k增加，趋于“封闭”，h增加， 符合封闭式浇注系统易于充满的理论。 当k时，既A2 0时，h=H。 当A2很小时，k很大，符合托里拆利小孔出流 定律。 3） A1，A2增加，k减

42、小，趋于“开放”，h减 小，符合开放式浇注系统不易充满的理论。 4）总压头 H越大，h也越大。 5）直浇道在h高度内处于正压充满状态，不会 出现负压吸气现象。 返回 137 返回 138 返回 139 充型动态参数 1. 内浇道出流压头（图4-5） 2. 内浇道流速（图4-6） 3. 直浇道流速（图4-8） 4. 内浇道出流流量：不应当单纯用 阻流面积来决定，要考虑截面比影 响，与传统算法不同。 5 . 0 1 )( 3 .44)(2hHhHgv 返回 140 返回 141返回 142 143 第三节 浇口杯、直浇道、横浇道、内 浇道四单元浇注系统大孔出流研究 四单元浇注系统实际作用压头 水力

43、模拟实验分析 四单元浇注系统充填过程动态参数的确定 返回 144 四单元浇注系统实际作用压头 返回 145 qv1、qv2 、qv3分别为直浇道、横浇道、内浇道的 流量； A1、A2、A3分别为直浇道、横浇道、内绕道的 截面积； 1 、2、3分别为直浇道、横浇道、内浇道的流 量因数 H直浇道压头，定义为从浇口杯 面到内浇道中心 线的垂直距离； h2 横浇道压头，定义为从内浇道中心线到安装 在浇口窝处的测压管液面垂直距离； h3内浇道压头，定义为从内浇道中心线到安装 在横浇道顶面或侧面的测压管液面垂直距离。 根据液体流动的连续性方程，浇注系统处于稳定的出 流状态时， 一（。一t、。 146 14

44、7 h2、h3 的物理意义如下。 （1）h2是横浇道液体流动的实际压头， 同时也是直浇道液体流动的反压头。当 直浇道底部截面积小于顶部时，决定直 绕道流速的压头为(H-h2)，h2越大。直浇 道流速越小，将有利于渣、气在直绕道 中的分离上浮。 在h2的直浇道高度内，直浇道一定 呈正压状态，不管直浇道形状如何（上 大下小或上小下大），h2 段直浇道（砂 型）壁都不会产生吸气现象。 148 （2）h3是作用在内浇道上的实际压头 在H 一定时, 调整浇注系统有效截面比k1、k2，就 可以调整h3的大小，从而达到控制内浇道出 流速度、流量及平稳性的目的。 h3也是金属液在h2压头作用下流入横浇 道的反

45、压头，(h2h3）的大小决定横浇道的 流速。凡是有利于减小（h2 h3 ）值的因 素，都可以降低横浇道流速，减小紊流程度， 提高金属液在横浇道中流动的平稳性，减轻 氧化，有利于熔渣上浮。 149 （3）h3 可以作为横浇道的充满判据 设横浇道 高度为h横 ，内浇道高度为h内。 1）当h3 （h横h内2）时，横浇道不充满， 不充满的程度用（h横h内 /2h3 ）的值表示。 2）当h3=（h横h内/2）时，横浇道临界充满， 金属液已和横浇道顶部接触，但对顶部型壁 无压力。 3）当h3 （h横h内 ）时，横浇道充满，而且 充满有余。用h3 （h横一h内/2）的值表示 横浇道充满有余的程度。 150

46、为简化起见，直接称h3 为横浇道充满程 度判据或充满判据、这里的程度”包含两 个意思 一是不充满程度h欠， 二是充满有余程度h余 其值分别为 h欠=（h横h内/2）h3 (4-22) h余=h3（h横h内/2) (4-23) 应该指出，横浇道呈不充满状态时，式 （422）的计算值有一定误差这是由于内 浇道中心标注法的缘故。 返回 151 水力模拟实验分析 152 1）横浇道压头和内浇道压头的主要影响因 素是直浇道压头和截面积比； 2）“封闭”和“开放”没有明显界限，封 闭比开放充满有余多，但二者均是充满的； 3）在直浇道压头和其他截面积不变的条件 下，横浇道面积对压头影响较大，并非传统 中只有阻流截面积是唯一影响因素； 4）由于内浇道流量与面积成正比，与压头 的开方成正比，所以增大内浇道截面积是实 现“大流量、低流速”充型的有效措施； 5）横浇道上不同的内浇道处流量不同。 返回 153 四单元浇注系统充填过程动态参数 的确定 浇注过程中，当型腔中金属液 淹没内浇道后，会对浇注系统的流 动产生反压作用，横浇道压头h2、 内浇道压头h3要发生变化。以下分 顶注、底注、中注条件