精密铸造铸件工艺及浇冒口系统设计

1、第六章 铸件工艺设计第一节 概 述 为了生产优质而价廉的包模铸件，做好工艺设计是十分重要的。在做工艺设计之前，首先要考虑选用包模铸造工艺生产时，在质量、工艺和经济方面的几个问题。 1.铸件质量的可靠性 对于铸件质量上的要求，一般是包括两个方面，一是保证技术要求的尺寸精度、几何精度和表面光洁度，二是保证机械性能和其它工作性能等内在质量方面的要求。 包模铸造具有少切削、无切削的突出优点。近年来，由于冶金技术、制模、制壳材料和工艺以及检测技术等方面的发展，包模铸件的外部和内在质量不断提高，所以它的应用范围愈来愈广。不少锻件、焊接件、冲压件和切削加工件，都可以用熔模铸造方法生产。 这对于节约机械加工工

2、时和费用，节约金属材料，提高劳动生产率和降低成本都具有很大意义。 但是，熔模铸造生产的铸件，由于冶金质量、热型浇注引起的晶粒粗大、表面脱碳以及内部缩松等方面的原因，铸件的机械性能(尤其是塑性)，还存在一些缺陷。对于某些受力大和气密性要求高的铸件，采用包模铸造时，应充分考虑零件在产品上的作用和性能要求，以确保其使用可靠。有些结构件改用包模铸造生产时，必须考虑原用合金的铸造性能是否能满足零件的质量要求，否则就需要更改材质。 2.生产工艺上的可能性和简易性 熔模铸造虽然可以铸造形状十分复杂的、加工量甚少甚至不加工的零件，但零件的材质、结构形状、尺寸大小和重量等，必须符合熔模铸造本身的工艺要求。如铸件

3、最小壁厚、最大重量、最大平面面积、最小孔槽以及精度和光洁度要求等，都要考虑到工艺上的可能性和简易性。 3.经济上的合理性 采用包模铸造在经济上是否合理，要从多方面考虑。按每公斤的价格来说，包模铸件与同类型锻件相近甚至还高些，但是由于大幅度减少了加工量，因而零件最终成本还是低的。 但也有些零件，可以利用机械化程度较高的方法生产，例如用自动机床高速加工、精密锻造、冷挤压、压力铸造等等，这时，用包模铸造法生产在经济上的优越性就不一定显著，甚至成本还可能高一些，所以在这种情况下，就不一定选用这种方法了。 总之，选择包模铸造法生产时，耍从其工艺特点出发，以零件质量为中心，并兼顾生产技术和经济上的要求。

4、在确定用包模铸造方法生产之后，工艺设计的任务就是要确定合理的工艺方案，采取必要的工艺措施以满足零件质量的要求。 工艺设计是理论和实践相结合的产物，是技术理论和生产经验的总结性技术资料。还要力求使设计符合实践性、科学性。 做好工艺设计要搞好两个方面的调查研究。首先必须对生产任务、产品零件图、材质和技术要求等方面进行深入分析：其次，要对生产条件如原材料、设备、工艺装备 加工和制造能力、工人的操作技术水平等方面进行深入的了解。只有做好这两个方面的调查研究，才能使设计符合生产实际情况。 工艺设计的好坏也要从质量、工艺和经济这三方面去衡量。一项良好的工艺设计应当能在正常的生产条件下，稳定铸件质量，简化生

5、产工艺，效率高而成本低。 熔模铸造工艺设计通常包括下列几项内容,(1).分析铸件结构工艺性, (2)确定工艺方案和工艺参数,(3)设计浇冒口系统, (4)绘制工艺图或铸件图。第二节 铸件结构工艺性分析 铸件结构工艺性对于零件质量，生产工艺的可能性和简易性以及生产成本等影响很大。结构工艺性不好的铸件，往往孕育着产生缺陷和废品的可能性，也会增加制造成本。所以，做工艺设计时，首先要审查零件图，审查的目的有二：一是审查零件结构设计是否符合包模铸造的生产特点，对于那些设计不合理的部分进行修改。第二个目的是根据已定的零件结构和技术要求，采取相应措施以保证质量。 根据熔模铸造生产特点，零件结构工艺性要考虑以

6、下要求。1)经济性 在精密铸造的生产中，其蜡型是。 在包模铸造上，金属模的目的是在在射蜡机中，利用压力将液态、糊态或半固态的蜡挤射入金属模内，生产蜡型或塑料型，这些型是用来生产陶瓷模的，不论是实体模或型壳模。所有的模型都是可逝性的。在制模的关键性问题上，是如何将蜡型或塑料型从模具中取出，以及如何将芯子从模型中取出等。至于其它的制模问题，用于砂模铸造的原理同样适用于包模铸造 图2 铸件内角的重设计(2)在图1中，一个包模铸件因为内图1 铸件内角的重设计(1) 部有一圆角，而且需要用两个抽芯，A及B两个芯子进出的方向如图1(a) 所示，要想将有倒钩的芯子抽出而又不伤损工件是根本不可能。于是，重新设

7、计工件，如图1(b)，将内圆角取消，以避开这种芯子有倒钩无法抽出的困绕。倘若要生产原设计有内圆角的工件，惟有舍弃金属抽芯，而用成本较高的水溶性芯子，随同蜡型一起自模中取出，再用酸蚀及水溶法将芯子自蜡型中除去，如此可保持工件的内圆角而又不会损伤蜡型。图2系一个有弧形通道的工件，同样如图2(a) 的设计也无法用金属抽芯来制模，若改为图2(b) 的设计，将内圆角改为尖角，则可以用两支抽芯做出弧形通道的内孔。 图3刀具余隙的再设计 为了后继的加工，往往在工件设计时，一般为避免撞机的困绕，预先留有一个让出刀具到位时的间隙，如图3(a) 所示，但无法抽出金属芯子，若改为图3(b) 的设计，就可以用金属抽芯

8、直接做出刀具余隙。另外如图4（a）之原始设计虽然内孔通道很圆滑，但必须要用较昂贵的水溶性芯子或陶瓷芯子，而且，在铸造后，清除孔道中陶瓷材料非常困难，若改为（b）的设计，可直接由六个金属抽芯来射制蜡型，另在一 图4内孔通道的再设计 个多出的孔洞则可在铸件完成后再设法塞上或焊死。可大幅度提高生产效率及降低成本。2).现实性 精密铸造与其它的制造方法一样，有其一定的极限，因此，在铸件精度的考虑上，应面对现实，设计可以达得到的标准，否则，良品率太低，就丧失了用精密铸造降低生产成本，提高生产效率的目的了。当铸件芯子部位因受炽热的金属围绕，内外部份的散热状况不一致，内部陶瓷受高温而膨胀，但外部因有金属包覆

9、又无法自由伸展，陶瓷材料因而有强烈的弯曲变形的应力，此时，外部热的不均匀分布，芯部自然向高温部分扭曲变形，便使铸件的壁厚产生了不均匀的结果。其变化差异如下内孔的长度 in.壁厚的公差 in.2244±0.005±0.010±0.012有孔空心包模铸造件根据可能的精度其设计通则： 3)铸造性a) 壁薄的包模铸件包模铸造工艺几乎制造任何金属的复杂铸件，也可以在小零件的设计及生产上，有助于达到轻薄短小的目的，获得最大的强度重量比值。在设计最小壁厚时，金属熔液的流动性是一个非常重要的考虑因素，因为它直接影响到金属液对模穴充填的能力。几乎同等重要的另一要素，是熔液在充填模穴

10、时，金属液的浇注补充距离，以及铸件表面积之大小，金属的凝固状况，固、液相线的差异度，都归纳于铸造性中，尤其对薄壁铸件特别重要。金属最小壁厚 in.碳钢0.060300系不锈钢0.050400系不锈钢0.065铝合金0.050镁合金0.050铝青铜(10%Al)0.060铍铜0.040钴-铬合金0.050表2 1in.长管件对各种金属之最小壁厚可铸出的最小壁厚与合金种类、浇注工艺方法、以及铸件的轮廓尺寸等因素有关。表 2 列举的是1in.长管件对各种金属包模铸件之最小壁厚。其实这些数值并不是真正的最小壁厚，诚如前述，金属液的浇注过热温度、浇注速率、壳模预热温度、铸件的形状及薄壁部分的表面积等都会

11、影响最小壁厚的尺寸，这个表中之建议值为工业生产上的经验值。在这个标准下生产，良品率最好，亦即浇不足及微缩孔的现象最少。在Fig. 7 的上图表显示一个在最小厚度与最大长度的相互关系，而下图表则显示在铸件有通孔或盲孔时，孔径与孔深的关系。因为铸造过程尚有许多参数会影响其最大值与最小值，但此数值仍有其参考价值。虽然熔融金属液是浇注入已预热的型壳，但是它仍然可能如同其它的铸造工艺一样，在金属充满薄壁部分之前，先行凝固。当有高的面积与厚度比值时，会促使金属液快速冷却及凝固，不论如何，金属液在充满模穴的过程中，所需行进的距离必须要特别注意，虽然在同样的面积与厚度比值，且厚度相同时，若要完全注满1/2in

12、. 宽、2in. 长的模穴，自然比注满2in. 宽、1/2in. 长的模穴要难得多。浇注温度在某一特定厚度铸件及金属上，往往选择可能状况下以较低的温度，以期避免诸如气孔，夹渣、模壁反应及其它因温度过高而产生的铸疵。不过在浇注薄件时，为求延长金属液在注满模穴的过程中开始凝固的时间，往往还是以提高模温及金属液温来达到目的。 通常, 较低的模温因为可以加速金属液的凝固，可以减少模壁反应，而有较好的表面光洁度，在薄壁铸件生产时，则为了能使金属液充分浇满型壳，祇有牺牲表面质量，而提高模温。在生产高尔夫球之不锈钢金属木杆头（metal-wood）时因表面积很大且厚度绝大部分仅有0.030 in.，许多厂家

13、在没有改变浇道系统的设计情况下，为了避免浇不足，而一味的提高钢水温度（超出熔点约300）及型壳的预热温度（约1400），结果，浇不足的情况有明显的改善，但微缩孔一堆及因型壳超温软化变形而铸件厚度大于蜡件厚度的情况层出不穷，笔者在改正浇道系统，增大浇注速率，缩短浇注补充距离后，钢水温度降低了100，型壳预热温度保持在1150（低于硅氧胶的软化点），同样可铸满，而又不会有微缩孔及变形增加厚度的缺陷。b)壁的连接当两壁相接便会产生图中所示的热截圆的变化，d大于a，b，c，换言之，就是d处热储量最大，凝固最慢，因此，在d处自然在没有冒口补充的情况下，非常容易产生缩孔。在实际生产时，我们常常为了减弱两壁

14、相接处的热点效应，任意加大该处内圆角(Fillet)的r，热点问题是解决了，但相对的增大热截图的直径，使缩孔移向铸件的内部，严重时甚至于会产生表面凹陷的现象。如今将在生产上常会碰到的两壁相交的情况列举于图中，并提出改正的设计建议。铸件壁厚设计要力求均匀,减少热节。图6-1所示为重7.5公斤的壳体铸件，原设计如a图所示，在A、B、C、D、E、F五处壁过厚，易形成各种铸造缺陷。后改成b图所示，即将上述五处壁厚减薄，形'成67mm壁厚的箱形结构。9D及17Do两孔铸出以消除该处热节。F孔不铸，浇口设在此处。修改后铸件壁厚均匀，重量减轻至2.3kg。壁的交接处要做出圆角，不同壁厚间要均匀过渡，

15、这是防止熔模和铸件产生变形和裂纹的重要条件。图6-2所示为铸件壁的几种常用连接形式及其相关尺寸。二、平面熔模铸件要尽可能避免大的平面，因为大平，干面上极易产生夹砂、凹陷、桔皮、蠕虫状铁刺等表面缺陷，所以铸件上的平面一般应小于200×200mm有大平面的铸件最好设计成曲面或阶梯形平面,或在平面上开设工艺槽、工艺筋、工艺孔等，以防止涂料堆积和型壳的分层、鼓胀。图6-3所示零件在A、B、C处均有大平面,C处有盲孔。在制壳流水在线生产时，几个平面均易产生缺陷，而且肓孔处在上涂料、撒砂和硬化时均感不便,铸件废品率较高.。后将平面A改成凸面作为熔模预变形(2毫米)，并增设圆环形工艺筋2，B平面做

16、出工艺槽1，C平面做出二个工艺孔3，变盲孔为通孔，在工艺条件相同的情况下，铸件废品率由2050降至5%以下，并能稳定地进行生产。三、孔 和 糟熔模铸造可铸出比其它任何精密铸造法都复杂的孔型和内腔，从而可以大大节约加工工时和金属，并可减轻零件重量。对于铸钢件，可铸出直径1.01.5mm的小孔。但是，孔和内腔的存在,往往使工艺复杂化，增加生产成本。故从工艺性角度考虑，孔腔形状不宜过于复杂，数量要少。有内腔的铸件，要有两个或更多的通孔，以便于上涂料和撒砂，并使内外型壳能牢固地连接在一起保证焙烧和浇注时内部型壳(即型芯)位置稳定，也便于内腔的清砂。, 零件上要力求避免盲孔。有铸槽的零件，铸槽的宽度和深

17、度要有一定限制。过窄过深的铸槽涂料层过薄，强度不够，清砂也比较困难。表6-2和'图6-4所示为黑色金腐熔模铸件铸槽深度的尺寸。四、锻件冲压件和切削加工件改为熔模铸件时的结构要求由锻件和切削加工件改为熔模铸件时，在满足零件结构强度和刚度前提下，要力求减薄壁厚，并使之均匀，减少热节，如图6-5所示。冲压件和焊接件壁薄而平面大，结构刚度小，改为熔模铸件时要适当增加壁厚，合理布置加强筋和工艺孔，减少平面面积，提高结构刚度。从简化生产考虑，有时将几个零件合并成整体件，以节约原来的加工和装配工时。例如 图6-6所示的车床手柄原由三个机械加工件组成，改为整体熔模铸件后，加工工时由原来88分钟减少到1

18、8.5分钟，且节约了许多金属材料。整体铸件也可以是不同合金材料制成的零件，此种结构称做镶合铸件。图6-7所示为铸铝壳体零件局部镶有黄铜套，改为整铸件时，可将加工好的铜芯(即镶件2)放入压型c)实例实例1 在图中可见到，当浇口前有一孔，金属进入模穴后，首先冲击该孔洞的陶壳，水流分成二股，减缓了流速，当金属液流到最远程仅有厚度的地方，液流温度己降到无法将两股液流融合一起的地步，而产生了浇不足的废品，倘若，将浇口前的孔舍弃不做出来，待铸造后再加工，则浇不足的缺点完全克服了，不再有浇不足的缺陷。实例2 在实际生产的情况下，往往是铸件壁厚的区域，被薄壁分割，会造成浇满及凝固补缩的困绕。图6描述如何对铸件

19、用一点简单的小修正来克服上述的问题。图中为8630中碳镍铬钼低合金钢之包模铸件，此铸件系由薄壁部分连结两端的厚壁部分，这种状况经常造成浇不足及补缩不良的疵病。这个铸件系由三个凸出部分当浇口，当其中两个浇口处加宽，使其能直接与桁架支柱A连接，使钢水直接流入厚壁部分以消除冷接现象，加大凸出部分体积，同时也加大凸出部分传给型壳的热，因此可以延长钢水在薄壁处的凝固时间，还使原先被阻隔开的厚壁处有较长时间的补缩，亦因而消除了这部分的缩孔问题。至于第三个凸出部分虽然同样加大，但因没有与桁架柱支 A连接，不产生质量改良的效果，仅是为了三个凸出部分一致而已。实例3 图是一个两端及中间部份都是厚而却被厚度仅的薄

20、壁部份连接的8620低合金钢铸件，在原设计的条件下，虽然用了6个浇口及两条小的连接肋，但铸件的结果并不理想。经过检讨，将原设计仅0.050高，0.125宽的连接肋，改为0.091高，0.400宽后，使连接肋变成补缩肋，仅用2个浇口便可铸出良好的铸件。实例4 热裂(Hot tearing)及冷裂( cold cracking)也可能在精密包模的薄壁件上发生，热裂可能在铸件壁厚无法承受金属在型壳中凝固冷缩而造成的应力，而冷裂与扭曲变形则可能肇因于铸件厚薄不匀，产生应力增大及集中，使薄壁处在持续冷却过程中，超过负荷而发生 ，虽然很少有机会设计完全均匀厚度的铸件，但是厚度的急变却应尽量避免。如图所示，

21、为一由1722AS不锈钢制造的支撑圈，其直径为28吋，内及外砝蓝均为0.25吋厚，铸造后再用车床加工至0.16吋厚，而中间连接的腹板(web)仅有0.16吋厚，在生产时，浇不足及热裂(hot tearing)的现象非常严重，甚至在热处理时，经常有发丝状裂纹(hairline crack)出现，虽然将中间腹板的厚度增加到0.25吋，就可解法这种疵病，但受重量的限制而不可行，最后，铸造工桯师用了56个冒口才解决这个问题。包模铸造的浇冒口系统设计包模铸造是一种复杂的多因素交互作用的生产过程。在这个过程中,浇冒口系统不仅起着充填金属的作用,而且影响着铸件的凝固、收缩和冷却时的温度梯度。许多铸造缺陷如缩

22、孔、疏松、气孔、夹渣、热裂和变形等,都与浇冒口系统有密切关系,所以它对铸件质量的影响很大。设计浇冒口要考虑多方面的因素，如铸件质量的要求(致密度、结晶粒度等)，铸件结构特点(尺寸、重量、壁厚和形状复杂程度等)、合金种类，制壳工艺特点等等；此外，各厂各地不同的习惯、传统和生产经验也要充分重视，所以浇冒口设计也是一项综合性的技术间题。一.浇注系统的作用和要求如下:图l 金属液在模穴中其自由表面的形状(l)把液体金属引入型腔 因此对于易氧化的合金应尽量要求充填平稳，不产生喷射、飞溅和涡流以及因之而引起的卷入气体、夹杂物和合金二次氧化等缺陷。对于薄壁铸件应尽量保证充填良好，不产生冷接(cold shu

23、t)、浇不足(misrun)现象。金属液在模穴中其自由表面的形状(如图l.)，与一般液体在容器的形状完全一样，表面水平部分系与浇注系统金属液重力平衡有关，而模壁部分则随金属液的表面张力，以及金属液与陶瓷模壁的润湿性有关。形成半径Rm的凸出面和与陶瓷模壁产生的接触角,在厚件中 2Rm式中 铸件肉厚 Rm自由表面与模壁之间的圆弧半径 金属液与陶瓷模壁的接触角，对钢液而言，模壁的润湿性约为180。金属液在模穴中的充填工作，仅需考虑自由表面随金属液重力平衡的上升速度,因此，比较容易浇足模穴。在薄件中 2Rm金属液在模穴中的充填工作，其重力必须突破金属液的表面张力，才能顺利充填模穴。因此，薄件比厚件难以

24、浇满。对钢液而言，3mm以上为厚件，3mm以下为薄件考虑。 金属液在模穴中的充填工作，共分为四个阶段，图2.为石蜡熔液模拟金属穴中流动状况。第一阶段金属液流入模穴，因表面张力而形成的凸缘弧线，随着液面的上升而增加，当金属液的压力超出表面张力之阻抗，就进入第二阶段,快速充填模穴，在连续充填的过程中，进入第三阶段，先进入模穴之金属液随着温度降低，开始在金属液的前端形成凝固膜，使金属液的流速降低，甚至在完全兖满前，因凝固膜加厚而阻止金属液继续流动，第四阶段是金属液的压力超出前端凝固膜之阻抗，突破凝固膜之阻抗，产生二次金属液流继续充填工作，再度经历前四阶段过程。假如金属液有足够的超温,可能在第二阶段以

25、前,便完全充满模穴。金属液的静压力对是否能完全充满模穴，有密切的关系，一般以压头高Hp示之 上式中 表面张力，熔融中碳钢约为1500dyn/cm 铸件肉厚，cm 金属液的表面张力，gm/cm3 g重力加速度，cm/sec2 从上式中加以计算，在1.5mm宽的模穴中，其压头高要3cm，而0.5宽的模穴中，其压头高要9cm才足够。当金属液的温度提高，表面张力值随之而降，其压头高度之需求亦随之而降。 高度约280mm的浇道，浇注80mrn长的薄片，以测试在不同厚度的情况下，金属液的充填性。当厚度为2.3mm时，薄片的尾端均可浇到。当厚度减为1.3mm时,薄片的尾端就难以浇到。当厚度减为0.7mm时，

26、仅可浇到数mm长。一般而言，利用包模铸造法生产钢铸件时，当铸件肉厚为11.2mm以下时，往往会有大量浇不足的现象，这就要依赖制程工程师调整型壳的焙烧温度及钢液的超温来解决。自然伴随着凝固延缓而致结晶粗大的缺点。在直浇道系统中，充填性最佳的是在中间偏下部位，上面部位可能压头高度不够，亦即静压不足，而最大部位可能是金属液的稳流状态不佳及初入之金属液温度较低之故。如图3所示，黑色部分表示浇不足的区域，第一层到第三层，其浇到的部分仅达60%，其总压头高为80mm,扣除浇口杯未浇满的高度,其实际高度恐怕不足80rnrn,第四层的浇满率达90%，第五层及第六层为100%，第七层为85%。倘若组树方案略微升

27、高金属液的温度，则第四层以下部位者均可浇满，这个测试可以显示，若要减少浇不足的缺点，焊蜡组树时，虽然根据理论计算最少要有70mm的压头，但实际作业时，为了确保良品率，一般在最上层的一件都保有100mm的压头高度。为求下层能够浇满，往往在组树时，要提高3040mm焊工件，使冷金属及乱流都存在于浇道的底部。在决定浇注系统时，往往要先考虑是上注(顶浇)或下注(底浇)，上注法在浇注薄件时，因为热损失最少，流动距离最短，并充分利用重力加速度，对浇注薄壁铸件的充满性，有相当的帮助，若以相同的薄壁铸件，用上注及下注来做充满性比较时，会发现上注可以100%浇满，但下注法可能祇能有50%的充满度。上注法虽然对金

28、属液的充填性有很大的助力，但随之而来的因涡流产生的卷气造成铸件气孔，金属氧化夹杂物等疵病相对增加。图4.显示了几种常用的典型上注及下注浇道系统,type中A及B一般用来生产小型铸件，有最直接而短的浇注距离，有最好的充填率，但表面光洁度及内部干净度却不佳。最简单的改变，就是改为type的C及D，对缺点有相当的改善。若改为type的组树，工件不焊在下浇道上，而是焊在经过横浇道后逆向的直浇道上，这个系统有一个集渣的横浇道尾缓冲区K，工件如E、F、L的焊在可做冒口补缩作用的直浇道上，虽然工艺出品率下降了，但铸件的干净度却大大的提高了，若铸件表面有细纹则更相对的提高了良品率。type及是大型铸件，上注及

29、下注两种不同的组树法。包模铸造作业中,产生夹杂物(inclusion)的原因有:a)模型材料中残留灰分，或者是作业中异物混入模型材料内，经脱蜡及焙烧仍存于模穴中的不燃物。b).陶壳表层剥落。c.)陶壳表层有裂纹。d.)浸浆制壳作业时有局部不坚实现象。e.)焊蜡组树时,结合处有细缝,在浸浆作业时,浆液渗入形成很薄的陶瓷毛边,脱蜡时未流出,金属液浇入时，被冲断夹于铸件中。f.)浇注时,从浇口杯上缘落硅进入模穴。g.)浇注时,随金属液浇入炉渣及除渣剂。浇注时,卷入空气氧化金属产生二次渣,在浇注铜合金、铝合金含硅、锰、铝较高的钢铁合金恃别容易发生。 前五种原因皆可藉加强制程管制而解决，但后三种则必须要

30、由浇道系统着手。图6所示为夹杂物在直浇道中的运动状况,图4中C方式的组树法，很显然符合夹杂物的运动方向,达到净化铸件的目的,据图表中分析,当将2mm的木屑倾入形状如图7.右的透明模中，发现它的分布如图7左侧图形示，在最上层含量最多中间部分最少，从这又获得另一个信息,在距碓底部30mm以上，距离浇口杯口100mm以下的区域内，夹杂物的含量最少，恰巧与前述测试充填性的结论一致，就是一一组树时，最上面的一个工件要保持100mm的压头高度，最下面的一件，要距离下浇道底部30mm以上。前面已说明了如何从浇道设计来达到铸件的干净度，但对卷气而产生的二次渣及气孔并无帮助，一般下浇道与横浇道连接的方式有三类:

31、第一类如图8，下浇道与横浇道直接呈“T"型，这种组合最简单，但产生之卷气最严重，如图片8a及图片8b所示，无论是8a的宽而扁（吋×1吋横浇道，下浇道：横浇道：水口1：4：4），还是8b的狭而高（1吋×吋横浇道，浇道比1：4：4）组合，当浇注后1秒，观察浇道内液流，均发现有大量的涡流卷气现象，就是在浇注后15秒，在8a中仍发生连续性的气泡析出，在8b中虽然略有改善，但仍展现有局部严重涡流及断续性气泡析出。表一是36种''T"型下浇道底与双横浇道之不同组合的静止期统计表，发现其静止期(Clean up) 非常长，甚至有无限大的结论。所以这种最

32、被铸造厂喜爱采用的浇道系统，竟然是最容易产生气孔的组合。 横浇道下浇道下浇道下浇道下浇道宽（吋）高（吋）浇道比静止期（秒）浇道比静止期（秒）浇道比静止期（秒）浇道比静止期（秒）正方形横浇道1：3：3111：5.3：5.31：4：41：2.7：2.71：1.8：1.81：9：9751：6：61：4：4221：16：16351：10.7：10.71：7.1：7.1宽、扁横浇道11：4：4101：3：31：2：21：1.3：1.31：4：455.511：6：6911：4：41：2.7：2.7211：8：815.35.31：3.5：3.521：4：421：12：121511：8：81：5.3：5.3窄

33、、高横浇道11：4：41：3：31：2：21：1.3：1.331：4：45721：6：61：4：41：2.7：2.711：8：81：6：61：4：41：2.7：2.7121：8：81：5.3：5.31：3.5：3.521：4：421：12：121：8：81：5.3：5.3表一''T"型下浇道底与双横浇道之设计对静止期的影响 图8a 宽扁横浇道 图8b 窄高横浇道 图9a 宽扁横浇道 图9b 窄高横浇道第二种下浇道底与横浇道的组合方式，是将下浇道底座加大，这种lucite 模的设计构想最主要的着眼点是可以减少涡流卷气的缺点。图9就显示这种浇道，同样也有许多不同的配比组合

34、，图片9a显示下浇道底加大而横浇道为宽而扁（吋宽×1吋高，浇道比1：4：4），在浇注后5秒，观察浇道发现仍有涡流存在，图9b在下浇道底座加大的情况下，配合窄而高的横浇道组合（1吋宽×吋高，浇道比1：4：4），在浇注后5秒，观察浇道发现已没有涡流存在，明显的卷气性少了很多，表二是这种组合静止期的统计，总结表中资料，倘若下浇道底座加大部分的直径为窄而深横浇道宽度的2.5倍,可获得最短的静止期,而与下浇道的尺寸大小无关。横浇道下浇道下浇道下浇道下浇道宽(吋)高(吋)浇口比静止期(秒)浇口比静止期(秒)浇口比静止期(秒)浇口比静止期(秒)加大处直径(吋)加大处直径(吋)加大处直径(

35、吋)加大处直径(吋)1212122正方形横浇道1:3:30.02.29.8111:4:4.72.3.51:2.7:2.71:1.8:1.81:9:921:6:68.31:4:4221:16:161:10.7:10.70.01:7.1:7.1宽、扁横浇道11:4:42.91:3:30.27.01:2:21:1.3:1.31:4:49.011:6:61:4:41:2.7:2.7211:8:81:5.3:5.31:3.5:3.521:4:43.121:12:126.01:8:82.01:5.3:5.33.3窄、高横浇道11:4:410.42.637.51:3:38.65.11.83.51:2:216

36、.01:1.3:1.314.01:4:44.05.52.821:6:63.74.61:4:42.23.01:2.7:2.71.811:6:611.019.06.41:4:45.51:2.7:2.74.0121:8:89.01:5.3:5.35.61:3.5:3.53.821:4:421:12:12116.51:8:8451:5.3:5.3表二加大下浇道底座对静止期的影响第三种组合则是在下浇道加一井，称之为有下浇道井之横浇道组合，此组合之目的在有最短的静止期，其结构如图10所示。这种井是一个真正的井，而非一般人常犯的错误，在下浇道底座上挖一个凹槽，甚至仅仅是一个圆球形的凹池，因为凹池无法防止涡流

37、卷气。同样，亦用宽扁，窄高等横浇道组合加以比较，图片10a（井深吋，井径2吋，宽吋，1吋高的宽扁横浇道，浇道比1：4：4）及图片10b（井深1吋，井径吋，宽1吋，高吋的窄高横浇道，浇道比1：4：4）为两种组合浇注后，对涡流卷气加以观察，前者在注入后1秒便没有涡流气泡，后者在2秒后仍有轻微气泡。各种不同组合之结论列于表三，总结有井之结构，下浇道井的截面积应为下浇道的5倍,其深度与直径相同时，其静止期最短。图10b 窄、深横浇道横浇道（18）下浇道（20）下浇道（24）下浇道（30）下浇道宽深浇道比井径井深静止期浇道比井径井深静止期浇道比井径井深静止期浇道比井径井深静止期正方形横浇道1:3:31.

38、5111:4:4211.51:6:622.51:4:412.0宽、浅横浇道11:4:411.51:3:321.51:4:412.011:6:622.01:4:421.5211:5.3:5.31:3.5:3.52.021:4:42.0窄、深横浇道11:4:41.51:3:31.51:4:4212.521:6:612.01:4:4212.011:6:6212.01:4:422.0121:5.3:5.312.01:3.5:3.51.521:4:423.0 (2)补充液体金属凝固时的体积收缩。包模铸造以生产小件为主,多数情况下合金的液态和凝固收缩直接靠浇冒口补缩,浇口和冒口合二为一,因此浇注系统应能保

39、证补缩时通道畅通,并保证能提供给铸件必要的补缩金属液,以避免铸件内产生缩孔疏松(shrink porosity)。 (3)在组焊模块和制壳时,浇注系统起着支撑腊树和型壳的作用,所以要求它有足够的强度,防止制壳过程中腊树折断或腊件脱落。 (4)浇往系统也是脱腊时液体模料流出的信道所以浇注系统应能顺利地排除腊料,不致胀裂型壳。 (5)浇注系统结构应力求能简化射腊模结构,并使制模、组焊、制壳和切割等工序操作方便,生产率高。 (6)在保证铸件质量和工艺操作方便的前提下,要尽可能减小浇注系统的重量,提高工艺出品率,节约金属和减小模块外形尺寸。 二、浇注系统各单元结构设计 包模铸造浇注系统通常由以下几个单

40、元组成:浇口杯、直浇口、横浇口、水口。此外，还附设一些其它的单元如撇渣器、缓冲器、排气口等。 浇道系统的设计主要分为两个阶段，首先根据铸件的补缩状况及其外形，决定浇道系统的构造方式，第二阶段才是根据浇满的需求及补缩的考虑计算尺寸。 l.浇口杯的构造浇口杯的作用是盛接来自浇包的液态金属，并使整个浇注系统建立一定压力以进行充填和补缩。为了防止悦措和焙烧时砂粒进入型腔，浇口杯的设计也非常重要。为了固定挂钩及防止浸浆时，浆液进入浇口杯中，在浸浆制壳作业时，浇口杯上通常有一块封口铁片，浇口杯杯口外缘设计有三种形式的边缘。图l1中斜线部分是陶壳，空白部分是蜡浇棒,(a)是铁片直接与锥形浇口杯接触，当铁片去

41、除后，其破断面直接与杯口相连，砂砾很容易落入浇道中。(b)示浇口杯在杯口处有一凸缘，陶壳在凸缘外与浇口杯相连，换言之,其破断面亦在凸缘外，杯口部分是完整无缺，砂砾较不易进入浇道。(c)示浇口杯除凸缘外，尚有凹弧，使破断面完全与杯口隔绝是最好的设计，不过制模较麻烦，生产速率低，一般均采(b)设计。尚有部分厂商采用预铸型浇口杯，因为预铸类似耐火砖，杯口完全无缺损，浸浆祗浸到浇口杯的一半，亦可防止落砂。一般浇口杯均设计为光滑的圆锥形，浇铸时，倘未对准下浇道口，金属液会在浇口杯打转，一来影响流速，二来会产生卷气，所以，为避免此缺点，将设计改为图12，(a)浇口杯加飞剌，或如(b)在浇口杯与下浇道达接处

42、加筋条，这二种设计除了达到原先的目的外，尚可减少浇口杯浸浆制壳发生干燥龟裂的缺点，至于(b)的设计更加强了浇口杯与下浇道连接处的强度，减少浇口杯的折断率。 2.浇道系统的结构性设计浇道系统第二项主要结构就是直图12小浇口杯外形有飞刺浇道，直浇这是制壳操作中的支柱，且多数情况下兼有冒口的作用，所以直浇道设计很重要。包(熔)模铸件尺寸一般都不算大，故不可能每种铸件都设计一种直浇道。特别是产品名目繁多时，为便于组织生产，简化设计，通常根据产品特点,把直浇道做成几种规格,当组焊熔模时,根据零件特点进行选择,对于特殊零件则可单独设计直浇道。为了便于组焊熔模,直浇道截面形状可为圆形,方形、三角形、多边形等

43、,如图13,一般圆形和方形用的较多。表四可供设计时参考。公共尺寸断面圆形正方形三甪形长方形六角形505866738087941001086370788592981061131202502503003003003203203203201010101012121212125555555552025303540455055601823283337424752571822252932362731182225253035202530354045表四直浇道和浇口杯结构参考尺寸现阶段在精铸工厂所常用的浇道系统可以概括的分为三大类。第一类是下浇道本身直接当冒口供应铸件补缩之所需，而铸件与浇道连接的通路，就同时

44、肩负水口及冒口颈的功能。这种浇注系统包括了上注、侧注及底注法，通常使用在小铸钢件及铜铸件上，如图14所示，就显示出几种常用的第一类浇道系统，铸件有很好的方向性凝固梯度，可获得密度良好的铸件，因此大多数的零件均采用这种系统，但是，亦有相当大的缺点，浇注时炉渣的混入及因涡流产生二次渣使铸件不干净。金属液的流速与浇注速度关系密切，不过我们可以用茶壶型浇斗过滤炉渣，也可从前述的浇道组合方式加以改善，使二次渣减到最少，杂质被浇道系统阻拦，不易进入模穴，并可改变水口的尺寸来改变浇注速度，减低对浇注速度的关连。 第二类型的浇道系统,是有局部冒口的浇道系统,如图15所示,这是喷气发动机喷嘴片的铸造方案。用四种

45、不同的组合,其产生的密度与机械性质的差异,如表五方案类别密度gm/cm3降伏点kg/mm2抗拉强度kg/mm2伸长率断面缩减率A顶注B底注C侧注D叶片部侧注8.302 8.2888.3108.31120.7 20.220.719.647.5 49.952.252.232 32.333.734.639 35.841.741.2第三类型浇道系统如图16所示，有一个与浇口杯连为一体的大型冒口，金属液直接由中间冒口浇入，使其保有最热的金属液以供补缩之用。综观三类浇道系统，另一重要的结构为横浇道，横浇道的作用是分配液流、补缩和挡渣，可用于顶注法或底注法。用于顶注法时，它是补缩铸件的主要金属来源，故其截面

46、积较大。横浇道一般与直浇道一起，在专用模型中用自由浇注法或射出成型法制造。横浇道道形状可为环形、圆盘形、方块形和条形等。条形横浇道(图17)用得较多，其断面形状一般为梯形，其截面与长度要能贮存足够的液体金属，但也不宜过长。图17所示的条形横浇口形式可根据铸件形状和大小选择。采用横浇道顶注方案的缺点是流动不够平稳，对于铝及铜等非铁合金铸件易产生飞溅和合金二次氧化引起的夹渣和气孔等缺陷，铸件表面光洁度也不如底注法好。除了前述的三大类浇道系统，用于一般重力铸造法外，尚有一些产品因纹路细致，或是过于薄小，难以用重力铸造法来生产，需借助离心铸造法。而在钛合金铸造时，为求避免钛合金与型壳耐火材料起模壁反应

47、，尽量降低金属液过热及型壳的预热温度，而又要良好完满的充填模穴，一般均采用离心铸造法，离心铸造法的浇道系统与一般有所不同，图18就是离心铸造法的一种布置图，左侧部分浇口呈辐射状分布，直接对向离心铸造盘的圆心，当离心铸造顺时针方向旋转时，金属液注入，根据相对运动原理，金属液呈反时针方向运动，其最大离心速度系沿反时针切线方向射出，因此，对圆心呈辐射排列分布的水口，往往因乱流及流速不足，而产生浇不足的缺陷。改良的水口布置如右侧2部分，金属液刚好顺着切线方向非常稳定又迅速的注入模穴中。图19是另外一种离心铸造方案，把铸件以十字形分布于浇道之四周，有别于前速辐射状组合之处，在于每个铸件水口之前，另有一个

48、类似浇口杯的梯形浇道槽将每个铸件成为一个独立体，当金属液注入浇道时，金属液因离心力的关系，而集中在四个浇道槽中，高速注入每个独立模穴。以避免因相对运动而产生乱流减速现象。更可藉由控制浇入量及技巧,使四个浇道槽各自独立不相连，则浇注完后，很容易将铸件由型壳中取出。至于单向结晶铸件，如铝、镍、钴磁铁，镍基耐热超合金涡轮叶片。其铸造方案因为考虑结晶生长的控制，有如图20的构造。“1”是铜制的水冷板(chill plate)，整个型壳“2”套架在水冷板上，外层有管状“4”石墨感应发热体，在石墨管外有“3”高周波感应圈，当型壳套在水冷板上后，型商就靠石墨管吸收高周波磁场的电磁能发热，来加热型壳使其能保持

49、在金属熔点以上的温度。如此，则当金属液浇注入模中后，除了与水冷板接触部分凝固外，其余部分均保持为液态。然后，水冷板向下(或者感应炉圈及石墨管向上)使型壳缓慢的离开高温区，铸伴逐步的由水冷板向浇口杯方向凝固，结晶也就一点一点的从水冷板上的初晶向上朝一个固定的方向生长，最后便生产出单向(unidirectional)结晶产品，倘若初晶核仅祗有一个时，随后生长的便是单晶产品。3, 铸件的尺寸精度与铸造方案的关系铸件的尺寸精度主要与模型材料，型壳材料、型模的结构设计及精度有直接而密切的关系，但是铸造方案对它的影响亦不容忽视。图21显示铸件“l”焊在浇道“2”上，右侧部分的焊接法，所占之空间较小，单位长度浇道上，可焊工件件数较多，换言之，就是钢水利用率较高，但是因扭曲变形而造成不良率却又高达50%左右,倘若改为左侧的组树方案，虽然钢水利用率较低，但是，铸件良品率却高达100%。综合而言，还是左侧利用工字梁原理组树避免变形的方式较为经济合算。同理图22为一长条形圆棒亦是左侧方案垂直组焊，优于右侧方案之水平组焊。图23是一个管状铸件，它原始的方案设计，是上下各一个十字型的横浇道，各以四个水口与铸件相连，用四个水口的目的，除了增加进水量，缩短进料及补缩距离外，尚考虑利用十字型中四个水口的平均收缩，来确保圆管的真圆度。但是，因为