第八章冒口设计

1、第八章第八章 冒口、冷铁和铸筋冒口、冷铁和铸筋铸型中能储存一定的金属液，可对铸件进行铸型中能储存一定的金属液，可对铸件进行补缩的专门工艺补缩的专门工艺“空腔空腔”称之为冒口。称之为冒口。铸件在凝固过程中需要补偿的体积变化有：铸件在凝固过程中需要补偿的体积变化有： （2）金属液的液态收缩（高温到低温）金属液的液态收缩（高温到低温） 由于由于缩孔和缩松的存在减少了铸件的有效缩孔和缩松的存在减少了铸件的有效受力面积，降低了铸件的强度。特别是隐藏在铸受力面积，降低了铸件的强度。特别是隐藏在铸件内部的缩孔，对质量要求高，机械加工量大的件内部的缩孔，对质量要求高，机械加工量大的铸件危险很大，有些要求耐压的

2、铸件，因缩孔的铸件危险很大，有些要求耐压的铸件，因缩孔的存在经受不住液体的压力而存在经受不住液体的压力而，以致，以致报废。报废。 1)1)冒口的主要作用是冒口的主要作用是; ;2)2)此外还有此外还有的作用。的作用。 要达到补缩的目的，要达到补缩的目的，（1 1）冒口的凝固时间必须大于或至少等于铸件）冒口的凝固时间必须大于或至少等于铸件（或铸件被补缩部分）的凝固时间。（或铸件被补缩部分）的凝固时间。（2 2）冒口中必须储存足够的金属液补充铸件）冒口中必须储存足够的金属液补充铸件（或铸件被补缩的部分）的收缩。（或铸件被补缩的部分）的收缩。 （1 1）选择冒口的形状及安放位置；）选择冒口的形状及安

3、放位置；（2 2）初步确定冒口的数量；）初步确定冒口的数量；（4 4）校核冒口的补缩能力；）校核冒口的补缩能力；（5 5）校核工艺出品率。）校核工艺出品率。 1)1)按位置分类：按位置分类： 2)2)按覆盖情况分类：按覆盖情况分类： 造型方便，并便于观察铸型中金属液的上升情况，向造型方便，并便于观察铸型中金属液的上升情况，向冒口中补浇金属液，在冒口顶面散发热剂、保温剂等。冒口中补浇金属液，在冒口顶面散发热剂、保温剂等。 因顶部敞开，散热较快，同样体积的因顶部敞开，散热较快，同样体积的冒口，明冒口较暗冒口的补缩效率低。冒口，明冒口较暗冒口的补缩效率低。当热节在铸件的侧面时，常采用边冒口。当热节在

4、铸件的侧面时，常采用边冒口。补缩效果好，造型方便，冒口的清理补缩效果好，造型方便，冒口的清理也容易，应用广泛。也容易，应用广泛。也分为也分为，生产中多用暗边，生产中多用暗边冒口。冒口。 不受铸件上热节点的位置的限制，不受铸件上热节点的位置的限制，可依热节点的就近设置冒口。可依热节点的就近设置冒口。占砂箱面积大。占砂箱面积大。当热节点不在分型面时，造型麻烦。当热节点不在分型面时，造型麻烦。 整个铸件整个铸件浇注位置的上部均为冒口。浇注位置的上部均为冒口。铸件重铸件重58吨，冒口重吨，冒口重26吨。吨。4）煤气加热冒口；）煤气加热冒口；5）电弧加热冒口；）电弧加热冒口；利用利用等专门材料制成发热套

5、，构成冒口等专门材料制成发热套，构成冒口型腔内表面，浇注后发热套材料产生化学反应激烈发热，型腔内表面，浇注后发热套材料产生化学反应激烈发热，使冒口金属液温度提高，凝固时间延长。使冒口金属液温度提高，凝固时间延长。用用。其。其。在金属液的热作用下，当发热剂的温度超过在金属液的热作用下，当发热剂的温度超过1523K时，时，化学反应生成物的化学反应生成物的以上，冒口中以上，冒口中金属液被剧烈加热，开始温度升高，而后缓慢冷却，金属液被剧烈加热，开始温度升高，而后缓慢冷却，延长了冒口的凝固时间，大大提高冒口的补缩效率。延长了冒口的凝固时间，大大提高冒口的补缩效率。 8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9

6、Fe+3243103焦焦 2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+838 103焦焦 2Si+Fe3O4=2SiO2+3Fe+557 103焦焦 3Si+2 Fe2O3 =3SiO2+4Fe+1379 103焦焦一般用一般用。其导热系数小，作。其导热系数小，作用是延长发热剂的燃烧时间和具有保温作用。用是延长发热剂的燃烧时间和具有保温作用。粘结剂：粘结剂：将发热剂和保温剂的混合将发热剂和保温剂的混合料作成发热套。料作成发热套。隔片厚度：隔片厚度：0.093d冒冒；d0=0.39d冒冒； 使用时，使用时，这样散热慢，凝固时间长，这样散热慢，凝固时间长，补缩效果好。补缩效果好。但造型但造型麻烦，常用

7、的冒口的形状如图所示麻烦，常用的冒口的形状如图所示 冒口的位置设置不当，就不能有效的消除缩孔和冒口的位置设置不当，就不能有效的消除缩孔和缩松，有时还会引起裂纹等铸造缺陷。缩松，有时还会引起裂纹等铸造缺陷。在确定浇注位置时就应考虑冒口的位置，应以下面的在确定浇注位置时就应考虑冒口的位置，应以下面的基本原则确定冒口的位置：基本原则确定冒口的位置： 7 7）为加强铸件的顺序凝固，应尽可能使内浇道靠近或）为加强铸件的顺序凝固，应尽可能使内浇道靠近或通过冒口，以造成对冒口有利的温度分布。通过冒口，以造成对冒口有利的温度分布。 为了防止铸件产生缩孔和缩松，冒口必须保为了防止铸件产生缩孔和缩松，冒口必须保证

8、铸件实现顺序凝固，在铸件凝固的过程中始终保持证铸件实现顺序凝固，在铸件凝固的过程中始终保持畅通的补缩通道，这样的冒口中的金属液才能不断的畅通的补缩通道，这样的冒口中的金属液才能不断的补给铸件，否则冒口再大，也达不到补缩的目的。补给铸件，否则冒口再大，也达不到补缩的目的。 致密的冒口作用区与致致密的冒口作用区与致密的末端区之和称为冒口的有效补缩距离，即密的末端区之和称为冒口的有效补缩距离，即 如果被补缩部分的长度大于这个距离，就如果被补缩部分的长度大于这个距离，就会产生缩孔和缩松；小于会产生缩孔和缩松；小于b b时铸件才是健全的。时铸件才是健全的。 以圆柱冒口为例：以冒口中心为圆心，用以圆柱冒口

9、为例：以冒口中心为圆心，用冒口半径加上有效补缩距离为半径做圆，圆内冒口半径加上有效补缩距离为半径做圆，圆内就是冒口的就是冒口的。 水平方向的有效补缩距离水平方向的有效补缩距离 对较简单铸件的冒口有效补缩距离，曾进行一系列对较简单铸件的冒口有效补缩距离，曾进行一系列的研究，已掌握其规律性。的研究，已掌握其规律性。 对碳钢对碳钢(0.2-0.35%C(0.2-0.35%C）在其他条件相同的情况下，形）在其他条件相同的情况下，形状不同，补缩的通道不一样，有效补缩距离也不相同。状不同，补缩的通道不一样，有效补缩距离也不相同。 三三 、 冒口的有效补缩距离冒口的有效补缩距离图图4-94-9和和4-104

10、-10是依据不同尺寸的板形和杆形铸钢件的实是依据不同尺寸的板形和杆形铸钢件的实验结果作出的验结果作出的。这说明对厚壁均匀的薄壁这说明对厚壁均匀的薄壁铸钢件，冒口的有效补缩距离减少，单纯靠冒口很难避免轴线铸钢件，冒口的有效补缩距离减少，单纯靠冒口很难避免轴线缩松。缩松。2 2、碳钢铸件冒口的有效补缩距离、碳钢铸件冒口的有效补缩距离（2 2）冷铁对冒口有效距离的影响）冷铁对冒口有效距离的影响 根据在板形和杆形件上应用冷铁的实验结果表明：根据在板形和杆形件上应用冷铁的实验结果表明： 铸件末端的冷却铸件末端的冷却速度增大，从而使速度增大，从而使。 对杆形铸件来说，对杆形铸件来说，。 然而对板件和壁厚均

11、匀的薄壁铸件往往难于达然而对板件和壁厚均匀的薄壁铸件往往难于达到这个要求。到这个要求。称为称为，简称补贴（衬补、增简称补贴（衬补、增肉）。肉）。 补贴一般补贴一般是在冒口有效补缩距离是在冒口有效补缩距离以上开始加补贴，使铸以上开始加补贴，使铸件壁向着冒口方向逐渐件壁向着冒口方向逐渐加厚，直到冒口的根部。加厚，直到冒口的根部。铸件加厚量为铸件加厚量为a,a,称为称为。 假设假设，则从图，则从图中的中的。例如：对例如：对 杆形件的有效补缩距离比板形小，故需有较大的补杆形件的有效补缩距离比板形小，故需有较大的补贴值才能保证铸件的组织致密。贴值才能保证铸件的组织致密。（2）顶注式高合金钢板件：）顶注式

12、高合金钢板件：1.25； 如图所示如图所示。1 1）金属补贴，使铸件加厚）金属补贴，使铸件加厚 2 2）采用保温补贴。）采用保温补贴。 ； 对于轮毂，要求不如轮缘高。不需改变内切圆的直径，对于轮毂，要求不如轮缘高。不需改变内切圆的直径，加补贴的方法与轮缘相同，只是加补贴的方法与轮缘相同，只是。例：一环形件，如图所示，环形中心线为例：一环形件，如图所示，环形中心线为920mm920mm，宽，宽240mm240mm，厚，厚80mm80mm，为宽厚比为，为宽厚比为3 3：1 1的杆件。采用冒口直径为的杆件。采用冒口直径为190mm190mm。 对于厚对于厚80mm 80mm ，查表得查表得，两个冒口

13、区长度加上冒口本两个冒口区长度加上冒口本身直径为身直径为470mm470mm，环形件需要，环形件需要补缩的距离为补缩的距离为: :需设置的冒口数为：需设置的冒口数为： 即即。 从图可查出杆厚从图可查出杆厚80mm 80mm ，的杆件末端长度为的杆件末端长度为。这。这样样即：即：，校核冒口数：校核冒口数： 说明，说明，。冒口尺寸的计算是一个复杂的问题，影响因素冒口尺寸的计算是一个复杂的问题，影响因素很多，如合金的很多，如合金的所以至今还没有一种理所以至今还没有一种理论计算方法精确测定出冒口尺寸。己有的方法论计算方法精确测定出冒口尺寸。己有的方法都是试验总结出来的，有点都是试验总结出来的，有点，因

14、而还必须经过生产的验证。，因而还必须经过生产的验证。，计算的，计算的方法主要有：方法主要有：热节圆法热节圆法反之，表面积越小，凝反之，表面积越小，凝固时间就越长。固时间就越长。 ，即：，即：研究发现，研究发现，模数模数与凝固时间的关系为：与凝固时间的关系为：与铸件、金属铸型的热物理与铸件、金属铸型的热物理性能、铸件形状、浇注温度有关，对碳钢和低性能、铸件形状、浇注温度有关，对碳钢和低合金钢而言，合金钢而言， 或或 ：M=a/2M=a/2；：M=a/4M=a/4；：为了实现补缩，冒口与铸件上被补缩部位之间必须存为了实现补缩，冒口与铸件上被补缩部位之间必须存在良好的补缩通道，同时还应满足下面基本条

15、件：在良好的补缩通道，同时还应满足下面基本条件：即：即： 或或分别为冒口和铸件的模数；分别为冒口和铸件的模数；分别为冒口和铸件的凝固系数。分别为冒口和铸件的凝固系数。对普通冒口，对普通冒口， 所以，所以， 对碳钢件，只要满足，对碳钢件，只要满足， 就可以实现冒口对铸件最后凝固部位的补缩。就可以实现冒口对铸件最后凝固部位的补缩。为冒口颈的模数。为冒口颈的模数。 即可。即可。即：即： 金属在液态和凝固期间的总体收缩率（或叫缩孔金属在液态和凝固期间的总体收缩率（或叫缩孔率）。率）。 （V V冒冒+V+V件件） 缩孔体积；缩孔体积； 型腔膨胀体积。型腔膨胀体积。在保证无缩孔的条件下，上式也可以写成：在

16、保证无缩孔的条件下，上式也可以写成： 冒口的补缩效率，冒口的补缩效率，冒口冒口的种的种类及类及工艺工艺措施措施圆柱圆柱形或形或腰圆腰圆柱形柱形球球形形冒冒口口补补浇浇冒冒口口时时浇浇口口通通过过冒冒口口发发热热保保温温冒冒口口大大气气压压力力冒冒口口压压缩缩空空气气冒冒口口气气弹弹冒冒口口值值12-12-151515-15-202015-15-202030-30-353525-25-303015-15-202035-35-404030-30-3535计算冒口时，计算冒口时， 对有多个形状，尺寸不同的热节点，应在每个热节对有多个形状，尺寸不同的热节点，应在每个热节点安放冒口，分别算出其模数。点安

17、放冒口，分别算出其模数。 包括包括。这两部分体收缩率的大。这两部分体收缩率的大小直接影响缩孔体积。一般碳钢随着碳量的增加体积收小直接影响缩孔体积。一般碳钢随着碳量的增加体积收缩率增加，含碳量相同时浇注温度越高，缩率增加，含碳量相同时浇注温度越高，值越大。值越大。表达式，表达式， )1600(COc根据冒口的有效补缩距离，校核冒口数目；根据冒口的有效补缩距离，校核冒口数目；忽略忽略V VS S；可得：；可得：工艺出品率工艺出品率 = = 缩管法是用几何方法来确定冒口的尺寸，它缩管法是用几何方法来确定冒口的尺寸，它对于大多数合金都较为适用。对于大多数合金都较为适用。对大量的球铁和对大量的球铁和可锻

18、铸铁冒口的解剖发现，可锻铸铁冒口的解剖发现，如图所示，为了便于如图所示，为了便于计算，将冒口中的缩管近计算，将冒口中的缩管近似看成是圆柱形的。似看成是圆柱形的。缩管型侧冒口结构如图所示。缩管型侧冒口结构如图所示。 使冒口中心保持使冒口中心保持补缩通道畅通，它始终是决定冒口直径最重要补缩通道畅通，它始终是决定冒口直径最重要的参数。的参数。 它必须它必须高于冒口颈上平面，以使铸件在高于冒口颈上平面，以使铸件在整个阶段保持正的补缩压力。整个阶段保持正的补缩压力。冒口与铸件连接的部分，其尺寸正确与否冒口与铸件连接的部分，其尺寸正确与否对铸件质量关系重大。缩管法设计冒口的原则是采用较对铸件质量关系重大。

19、缩管法设计冒口的原则是采用较大的冒口颈，使铸件与冒口在整个凝固期间与铸件相通。大的冒口颈，使铸件与冒口在整个凝固期间与铸件相通。它等于缩管的体积它等于缩管的体积；为各种合金的实为各种合金的实际体收缩率，可查表。际体收缩率，可查表。如果几个铸件共用一个冒口，则总的补缩量为如果几个铸件共用一个冒口，则总的补缩量为。N N 铸件数目。铸件数目。一般情况下，一般情况下，； ；对白口铸铁；对白口铸铁 。所以所以, 又因为又因为 ，4）求保温厚壁值）求保温厚壁值W将保温壁展开，将保温壁展开，可视为平板。则可视为平板。则M保保=W/2，。若求出。若求出M件件就可以就可以得到得到W的数值。对于简单形状铸件：的

20、数值。对于简单形状铸件： 的作用是在冒口补缩的的作用是在冒口补缩的最后阶段保证金属液有足最后阶段保证金属液有足够的压头来补缩铸件的最够的压头来补缩铸件的最后凝固部分，保证缩管底后凝固部分，保证缩管底部高出铸件受补缩的最高部高出铸件受补缩的最高点点P P的水平面以利于补缩。的水平面以利于补缩。当铸件在上箱时，当铸件在上箱时， 的最小值就是铸件最高点水平面的最小值就是铸件最高点水平面至冒口颈顶面的距离至冒口颈顶面的距离d d。如铸件全部在下箱，则。如铸件全部在下箱，则以及冒口颈与垂直壁联接时在以及冒口颈与垂直壁联接时在铸件上造成新的热节问题。冒口颈的尺寸与结构如图所铸件上造成新的热节问题。冒口颈的

21、尺寸与结构如图所示。示。也就是说，不考虑铸件形状对凝固的影响，这样当也就是说，不考虑铸件形状对凝固的影响，这样当，如图所示。如图所示。2） 计算步骤计算步骤首先确定首先确定 ，假设冒口内供补缩，假设冒口内供补缩的金属液是直径为的金属液是直径为d0的球，当铸的球，当铸件凝固完毕时，件凝固完毕时，d0为冒口直径与为冒口直径与铸件厚度之差。即：铸件厚度之差。即： 冒口直径冒口直径 mm； 铸件厚度铸件厚度mm因此，因此， 即：即： 计算出铸件体积计算出铸件体积V件件，由上式可以求出，由上式可以求出d0，从而也就得到，从而也就得到口直径口直径D冒冒。 上述计算是假定冒口的高度上述计算是假定冒口的高度与

22、冒口直径相等而进行的，在与冒口直径相等而进行的，在实际生产中，为可靠起见，通实际生产中，为可靠起见，通常取：常取： 应用此法计算冒口时必须说明：应用此法计算冒口时必须说明： 但是冒口的体积需依据假设的工艺出品率预但是冒口的体积需依据假设的工艺出品率预先换算出来，反而增加了计算的先换算出来，反而增加了计算的。 上述公式中未计入冒口本身的体积收缩，因上述公式中未计入冒口本身的体积收缩，因此，这是一种近似的计算方法。此，这是一种近似的计算方法。根据一根据一些工厂实际应用的情况，效果良好，被认为是些工厂实际应用的情况，效果良好，被认为是一种较好的计算冒口的方法。一种较好的计算冒口的方法。2 2）对单件

23、小批量生产的大、中件，由于模样的）对单件小批量生产的大、中件，由于模样的变形，起模的松动，砂型在高温下软化缩沉因变形，起模的松动，砂型在高温下软化缩沉因素，浇注后可能使型腔增大。所以严格计算时素，浇注后可能使型腔增大。所以严格计算时还应加上这部分体积增量，体积增量可由重量还应加上这部分体积增量，体积增量可由重量增大率求出，增大率求出，可查表可查表 。4 4）上面的各种误差可在估计冒口的补缩效率，）上面的各种误差可在估计冒口的补缩效率，选择冒口的高度及控制浇注温度和速度等方面选择冒口的高度及控制浇注温度和速度等方面得以补偿。得以补偿。比例系数是比例法应用的比例系数是比例法应用的关键，因为比例系数

24、的取关键，因为比例系数的取值范围较宽，所以对设计值范围较宽，所以对设计者的工作经验要求高，初者的工作经验要求高，初学者较难掌握。学者较难掌握。 ，这加厚的尺寸叫工艺补正量。这加厚的尺寸叫工艺补正量。冒口补贴：按下列经验公式计算冒口补贴：按下列经验公式计算 ，mm ，mm 冒口尺寸：用下列经验冒口尺寸：用下列经验公式计算公式计算暗冒口：暗冒口：明冒口：明冒口： 2 2、冒口高度、冒口高度H H大时补缩压力高，有利于补缩，但大时补缩压力高，有利于补缩，但模数小，凝固时间减少，不利于补缩，应恰当选模数小，凝固时间减少，不利于补缩，应恰当选择择H H与与dy的比例。的比例。2 2、铸型坚固、刚性好；、铸型坚固、刚性好；4 4、浇注要快，浇注温度为、浇注要快，浇注温度为1300-13501300-1350范围；范围；6 6、铸型排气好；、铸型排气好； 把这种起激冷作用的金属块把这种起激冷作用的金属块称为冷铁。称为冷铁。 放在砂型（或砂芯上），不熔入铸件内。放在砂型（或砂芯上），不熔入铸件内。放在铸件壁内或型腔内，其材料要求与放在铸件壁内或型腔内，其材料要求与铸件的材质相同或相近，并要求二者能很好地熔铸件的材质相同或相近，并要求二者能很好地熔到一体。到一体。2 2）与冒口配合使用，使铸件局部区域冷却加速，强化）与冒口配合使用，使铸件局部区域冷却加速，强化铸件方向性凝固条件。铸件方向性凝固条