《铸造工艺及设计》-第 ４ 章　铸造工艺设计

４.１铸造工艺设计内容４.１.１铸造工艺设计简介铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点、技术要求、生产批量和生产条件，确定铸造方案和工艺参数，绘制工艺图和编制工艺卡等技术文件的过程。铸造工艺设计的文件是生产、管理和铸件验收的依据，并用于直接指导生产操作。４.１.２铸造工艺设计依据设计者应掌握生产任务和要求，熟悉工厂和车间的生产条件，这些是铸造工艺设计的基本依据，同时应具有一定的生产和设计经验，并了解铸造先进生产技术。下一页返回４.１铸造工艺设计内容１.生产任务（１）铸造零件图纸：应认真审查图纸、零件的结构是否适合铸造工艺性，如需修改，应与图纸提供者研究并取得一致意见后修改。（２）零件技术要求：应满足金属牌号、金相组织、机械性能、尺寸偏差等要求。（３）产品数量和生产期限：大批量产品应采用先进技术，生产期限要求紧的产品工艺装备尽可能简单。２.生产条件（１）设备能力：起重机吨位、熔炉形式、造型机种类、热处理能力、厂房高度、机械化程度、地坑尺寸等。（２）车间原材料的应用和供应情况。（３）工人技术水平和生产经验。（４）模具等工艺装备、车间的加工能力等。上一页下一页返回４.１铸造工艺设计内容３.生产经济性了解各种原材料价格、金属液成本、工时费用等，掌握生产工艺的经济性。４.１.３设计内容和程序铸造工艺设计内容包括铸造工艺图、铸件图、铸型装配图、铸造工艺卡等。１.铸造工艺图在铸件的零件图上，用标准规定的红、蓝色符号表示出浇注位置、分型面、加工余量、拔模斜度、模样的反变形量、分型负数、工艺补正量、浇注系统和冒口、铸筋、砂芯形状和数量、芯头大小等，并说明铸造收缩率。铸造工艺图用于模样、模板、芯盒等工艺装备的制造，也是生产准备和铸件验收的依据。表４－１所示为铸造工艺符号及表示方法。上一页下一页返回４.１铸造工艺设计内容２.铸件图在完成铸造工艺图的基础上画出铸件图。铸件图反映铸件实际形状和尺寸以及技术要求。铸件图上应表达出加工余量、工艺余量、不铸出的孔和槽、铸件尺寸公差、加工基准、合金牌号、热处理工艺要求和验收标准等。铸件图是铸件检验和验收、铸件进行机械加工时的夹具设计依据。３.铸型装配图在完成铸件所需的砂箱设计后画出铸型装配图。铸型装配图上应表示出浇注位置、分型面、砂芯数目、下芯顺序、浇冒口和冷铁位置及数量、砂箱结构和尺寸等。铸型装配图是生产准备、合箱、检验和工艺执行的依据。上一页下一页返回４.１铸造工艺设计内容４.铸造工艺卡铸造工艺卡根据整个铸造工艺设计，说明造型（芯）、浇注、开箱、清理等工艺操作的要求，是生产管理和成本核算的依据。铸造工艺设计应注意在保证生产合格铸件的前提下降低成本、节约能源和保护环境。采用不同的工艺对铸件工艺出品率和综合出品率、成本、利润等有较大影响，因此应多方比较，选择最优的铸造工艺。上一页返回４.２铸造工艺方案４.２.１铸件结构的铸造工艺性零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产工艺的要求，以保证铸件质量、简化铸造工艺过程并最大限度地节约成本。对铸造生产者来说，应在铸造工艺上采取一切可能的措施和方法生产出设计部门所要求的零件结构和质量。但由于铸造工艺本身所具有的局限性，如铸件的最小壁厚限制、分散缩孔难以彻底消除等，铸造生产者难以在不改变铸件结构的情况下生产出合格零件。在这种情况下，铸造生产者应与零件设计者进行协商，在不影响零件实际使用的前提下，对零件局部结构进行改变以符合铸造工艺生产的需要。铸件结构的铸造工艺性应从保证铸件质量、简化铸造工艺、节约成本等几个方面考虑。下一页返回４.２铸造工艺方案１.铸件结构应避免出现质量缺陷（１）铸件的壁厚应在合理的范围内。铸件的壁厚太大，容易形成热节导致缩孔或缩松；铸件最小壁厚受合金液流动性影响，也不能太小，否则会产生浇不足。因此，铸件的最小壁厚应在一个合理的范围内，以避免缺陷的产生。砂型铸造铸件可得到的最小壁厚如表４－２所示。（２）铸件的内壁厚度应小于外壁。在浇注后，金属内壁散热较慢，外壁冷却速度较快，这会使内、外壁冷却速度不均匀而导致裂纹产生。为了避免产生裂纹，内壁厚度应小于外壁厚度，以使内、外壁能均匀冷却。铸件内、外壁厚度的数值关系如表４－３所示。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（３）改进铸件结构以利于收缩，铸件的不同壁厚之间应有过渡和圆角以避免产生裂纹，如图４－１所示。（４）应尽量避免十字交叉的壁以防产生热节，如图４－２所示。（５）改进铸件结构防止铸件产生挠曲变形，如图４－３所示。（６）要尽量避免铸件的大平面结构，或者应采取“卧浇立冷”的措施避免金属液长时间烘烤型腔顶部而造成夹砂缺陷。２.铸件结构应有利于简化铸造工艺（１）改进或取消妨碍起模的凸台、侧凹等结构，以利于造型。如图４－４所示，铸件１的凸台妨碍起模，将其移至上边缘后起模毫无问题；铸件２的４条肋条妨碍起模，需用活块造型，通过将肋条的方向改变为水平十字便可顺利起模，简化了造型工序。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（２）改进铸件内部结构，以减少或取消砂芯而简化工艺。如图４－５所示，在图（ａ）中，铸件需要砂芯来成型内表面；在图（ｂ）中，将图（ａ）中的铸件内腔结构使用工字形截面形状来代替，铸件成型不再需要砂芯，简化了造型工艺。（３）减少分型面数量，并尽量采用平直分型面。如图４－６所示，图（ａ）为非平直分型面，必须采取挖砂造型，造型工序复杂；图（ｂ）为平直对称分型面，简化了造型工序。（４）砂芯应便于固定和排气。如图４－７所示，图（ａ）为轴承架原结构，其最长的砂芯为悬臂方式，利用芯撑固定，浇注时容易导致偏芯；图（ｂ）为改进的结构，将两个砂芯合二为一，使砂芯便于固定，又利于排气。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（５）合理应用圆角以简化工艺或减少铸件缺陷。通常来说，铸件的转角都采用圆角。有些圆角对铸件的质量不会产生影响，但对铸件的后续工序产生不必要的困难，如图４－８所示，在图（ａ）中，产生的飞边不在转角处，而是处于平面位置，这对打磨工序造成了困难，也影响铸件表面质量；如图（ｂ）所示，取消了铸件的圆角之后，飞边位于转角处，便于打磨。（６）过于复杂的铸件应进行分体铸造，最后采用焊接或机械连接以避免因难以起模或造型而使铸造工艺过于复杂。如图４－９所示，图（ａ）为整体铸造方案，机床床身与底座的体积相差较大，其倾斜方向也不相同，采用整体铸造方案工艺比较复杂；图（ｂ）采用分体铸造方案，两部分分别铸造，最后使用螺栓连接，工艺方案得到简化。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案４.２.２造型、制芯方法的选择造型、制芯方法应根据铸件形状、尺寸大小、冷铁数量、生产批量、工厂实际生产条件等来综合考虑。在工厂可能的生产条件下，尽量采用既可以满足铸件质量要求，又高效经济的造型和制芯方法。造型、制芯方法的选择应参考以下原则：（１）如果湿型可以满足铸件质量要求，应优先考虑采用湿型。湿型砂不需要烘干，材料成本低，生产周期短，易于组织机械化和自动化生产，生产效率高。在可以满足铸件质量的前提下，应优先采用湿型造型方法生产。（２）造型、制芯方法的选择应考虑铸件的生产批量大小。（３）根据工厂生产条件确定造型、制芯方法。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案４.２.３浇注位置的确定浇注位置是指在浇注时铸件在铸型中所处的位置。浇注位置的选择应在铸造方法确定后进行，应根据铸造方法、合金种类、铸件的结构和尺寸大小等来综合考虑。浇注位置的选择直接关系到铸件的质量，应充分对比各种方案，最后选择最优的浇注位置。浇注位置的选择在总体上应有利于充型快速平稳、凝固顺序符合要求以及保证铸件质量。浇注位置的选择应遵循以下主要原则：（１）铸件中重要的加工表面应位于下部或侧立面以保证表面质量。实践表明，浇注时密度较小的气泡、非金属夹杂物易于上浮而使铸件上表面在凝固后产生气孔和夹杂等缺陷，而下表面质量通常较上表面高。因此，铸件中重要的加工面通常位于下部或侧立面。当铸件的重要加工面必须朝上或重要加工面不止一条时，应加大除朝上和侧立面以外的重要加工面的加工余量，以避免出现质量问题。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案在图４－１０中，图（ａ）和图（ｂ）分别为机床床身和起重机卷筒的浇注位置。在图（ａ）中，机床床身的导轨面是关键部位，对致密度和组织均匀性要求较高，其浇注位置位于下部；在图（ｂ）中，起重机卷筒的圆柱内外表面要求组织均匀致密，在浇注过程中的浇注位置位于侧立面。（２）铸件的大平面应朝下以避免夹砂和夹杂缺陷。在图４－１１中，此浇注位置对砂芯的放置操作比较困难，砂芯又为吊砂，但铸件的大平面朝下，可以保证大平面的质量，因此此浇注位置是合理的。为了保证铸件顺利补缩，此铸件可以采取倾斜浇注方法。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（３）应保证铸件的顺利补缩和充填。对于铸件壁厚不均的铸件，浇注位置的选择应首先考虑薄壁部位的充填和厚壁部位的补缩。可将厚壁部位放置在薄壁上方并对厚壁部位设置冒口便于补缩，对处于下部的厚壁采用冷铁或设置侧冒口以避免产生缩孔、缩松缺陷。对于较大的薄壁部分，应处于内浇道以下，从而利用较大的金属静压力得到较好的充填。如图４－１２所示，图（ａ）为较大的薄壁铸件的浇注位置，其薄壁位于砂型上部，不利于充填；图（ｂ）的薄壁位于砂型的下部，其充填效果要比图（ａ）的方案好。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（４）尽量减少砂芯数量，保证砂芯定位稳固、下芯和检验方便，避免使用吊砂芯和悬臂式砂芯。如图４－１３所示，图（ａ）、（ｂ）的砂芯需要芯撑，浇注时砂芯易受到金属液流的冲击，难以稳固定位；图（ｃ）的砂芯由下箱的芯座定位，不需要芯撑，浇注位置合理。（５）尽量使合型、浇注、补缩的位置一致。合型、浇注、补缩的位置不一致，在合型后翻转铸型容易导致砂芯的位置移动或掉砂，使铸型型腔破坏，甚至在浇注后造成跑火发生安全事故，所以应尽量使合型、浇注、补缩的位置一致。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案４.２.４分型面位置的确定在砂型铸造工艺过程中，为完成造型后取出模样，以及后续的设置浇冒口、安放砂芯和冷铁等工序，砂型至少由两部分组成，这两部分砂型之间相互接合的面称为分型面。除了地坑造型、明浇的铸件以及实型造型外，铸件在设计工艺时必须选择并确定分型面。在铸造工艺设计中，一般是先确定浇注位置再选择分型面。但为了得到最优的铸造工艺，需要反复比较不同的分型面方案以选择对整体铸造工艺最为适合的一个，因此浇注位置也需要做相应调整。分型面的选择对于铸件的质量、生产成本、生产效率具有非常重要的影响，应仔细分析，反复比较，以确定出最适合技术要求和实际生产条件的分型面。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案图４－１４所示为一六面体零件，此零件的形状简单，分型面选择比较容易。图４－１５所示为此六面体零件的分型面选择方案，可以看到，总共有７种方案，下面来分析这７种方案的特点。分型面的选择应遵守以下原则：（１）分型面应优先取在铸件最大截面处。分型面取在铸件的最大截面处可以确保起模，否则难以完成造型，这是分型面选取的首要原则。（２）应将铸件的重要加工面或大部分加工面以及加工基准面放置在同一半型内。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案分型面的设置便于起模，但也会因为铸型错型引起铸件形状错位，同时也会使铸件在垂直分型面方向上的尺寸增加。因此，为了保证铸件精度，应使铸件的全部或大部分位于同一半型内。如果铸件过高，也尽可能地使铸件的重要加工面和加工基准面位于同一半型。图４－１６所示为轮毂的分型方案，图（ａ）方案中，如果错型，上型中的外圆与下型中的外圆同心度偏差会增大；图（ｂ）方案中，整体铸件位于下型，避免了因为错型引起的两圆同心度的误差问题。（３）应尽可能优先选择平直分型面。选择平直分型面有利于简化造型过程、工装结构及工装的制造工序，并方便造型操作。因此，要尽可能地优先选用平直分型面，如图４－１７所示，图（ａ）为曲面分型面，图（ｂ）为平直分型面，此铸件选用平直分型面较为合理。但在有些情况下，采用平直分型面后续的清理工序工作量较大，打磨困难，难以机械加工定位而影响机械加工质量，则可采用曲面分型面，综合效果较好。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案如图４－１７所示，采用图（ｂ）的平直分型面，披缝沿着铸件平面的中线分布，用砂轮打磨工作量大，打磨困难。如果打磨的表面不平整，后续的机械加工定位精度难以保证。因此，综合考虑，选用图４－１７（ａ）的曲面分型综合效果较好。（４）应尽可能地使分型面的数量最少。铸件的分型面数量越少，铸件的精度越容易保证，砂箱的使用数量也越少。对于机器造型的中小型铸件，一般只有一个分型面，这对提高机器造型的效率非常关键。对于有些铸件，其在造型时侧面有凸起或凹入而不能出砂的部位，应采用砂芯，避免使用活块或多分型面，如图４－１８（ａ）所示。对于单件生产的手工造型来说，有时使用多分型面增加了造型工序和砂箱数量，但如果可以减少砂芯数量而节省更多的成本，选用多分型面也是合理的，如图４－１８（ｂ）所示。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（５）分型面的选择应便于下芯和检查型腔尺寸。在手工造型中，在下芯、合箱的工序中，需要调整砂芯位置才能保证铸件的壁厚均匀，如图４－１９所示，此减速器上箱盖使用一个分型面在合箱后难以保证上盖顶部的壁厚均匀，设置为两个分型面后便于合箱时检查箱盖顶部的壁厚尺寸。４.２.５砂箱中铸件数量的确定及布置１.砂箱中铸件数量的确定砂箱中的铸件数量要根据铸件的大小、砂箱的尺寸、合理的吃砂量、浇冒口系统及其布置、箱带的位置等工艺要求和生产条件来综合考虑。对于中小铸件，可以把几个相同的铸件或材质相同、壁厚相近的不同铸件放置在同一砂箱中生产，以提高工艺装备利用率和生产效率。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案２.吃砂量的确定型腔（模样）与砂箱壁、砂箱顶（底），型腔与型腔之间的距离称为吃砂量。吃砂量的大小应合理。如果吃砂量太大，虽然不会对铸件质量产生负面影响，但每次不必要的型砂消耗量增加，提高了成本；如果吃砂量太小，砂型紧实困难，还会引起涨砂、跑火、掉砂等缺陷，使铸件废品率增加。影响吃砂量的因素较多，设计时应综合考虑，表４－４、表４－5

、表４－6

、表４－７分别为按模样平均轮廓尺寸、铸件质量、手工造型和高压造型确定的吃砂量推荐值。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案３.铸件在砂箱中的布置一箱多件有利于提高生产效率，节省成本。一箱中生产多个同种铸件时，铸件最好对称排列，这对金属液抬型力的均匀分布和浇注系统的布置非常有利。４.２.６型芯的设计型芯是铸型的重要组成部分，其主要作用是形成铸件的内表面以及代替活块形成铸件的局部外形。型芯设计的内容主要包括设计型芯形状、数量、芯头结构、下芯顺序和方法、制芯方式等。１.型芯分类根据型芯的材料，型芯可以分为以下三类。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（１）砂芯：使用硅砂和黏结剂组成的型芯。砂芯制作方便，成本较低，可以制作各种复杂形状的型芯。砂芯的强度可以满足使用要求，清理方便，退让性好。砂芯也可以在金属型铸造工艺中使用。（２）金属芯：使用金属材料制作的型芯。在金属型铸造、压力铸造等特种铸造方法中使用较多。金属芯强度和刚度好，成型的铸件内腔精度高，但对铸件收缩阻力大。形状复杂的金属芯抽芯比较困难，设计时应考虑抽芯问题。（３）可溶性型芯：清理时可以用水作为溶剂溶失的型芯。可溶性型芯一般用水溶性盐类制作或用水溶性盐类作黏结剂制作，具有较高的强度和抗粘砂性以及较低的发气性，清理铸件时可以用水较为方便地溶失型芯。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案２.砂芯分块在砂芯的设计中，对于大型砂芯，为了方便搬运、制作和烘干，必须把砂芯分为几个不同的组成部分进行分别制作，最后在下芯时再进行组合。确定砂芯分块的基本原则是低成本、造芯方便、铸件无缺陷。砂芯分块的具体原则如下：（１）保证铸件尺寸的精度。对于铸件内腔精度要求较高的铸件，砂芯不应分块，应用同一砂芯形成。但对于大型砂芯，为保证局部精度，可将砂芯分块制作，如图４－２０所示，铸件上部１＃的砂芯定位位置要求较高，分成两个砂芯制作，即使主体砂芯位置移动，也不会影响上部１＃砂芯的定位位置。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（２）简化制芯工序。大型复杂的砂芯分成几块结构相对简单的小砂芯制作，不但能缩短烘干时间，而且使造芯工序简化；细长的砂芯分成数段制作，并使芯盒通用以提高效率。（３）尽量减少砂芯的数目。对于非大尺寸的砂芯，应尽量减少砂芯的数目，尽可能将不同砂芯合并为一个整体以减少砂芯数量，这可以减少下芯工时和降低制造芯盒的费用。（４）应使芯盒填砂面足够宽，砂芯烘干支撑面最好为平面。宽的填砂面可以提高制芯时的填砂速度，并便于安装芯骨和紧实。对于需要烘干的大砂芯，沿最大截面分为两部分制作，不仅可以得到最大的填砂面，还可以得到平直的烘干支撑面。平直的烘干支撑面使支撑结构简单，同时便于砂芯的搬运和放置。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案图４－２１所示为砂芯的烘干支撑方式。３.芯头的设计砂芯可以分为砂芯本体和芯头两部分，砂芯本体在浇注后被金属液包围，在金属液凝固后砂芯本体形成了铸件的内表面；芯头浇注后并不与金属液接触，它对砂芯本体起定位、支撑、排气作用，但不一定同时具有这三个作用。芯头的设计应考虑其对砂芯本体的定位、支撑和排气作用。芯头对砂芯的定位和固定应可靠，使砂芯在铸型中的位置准确，同时可承受砂芯本身的重力和液态金属对砂芯的浮力；芯头能迅速把浇注后产生的气体排出；不同的砂芯和上、下芯头容易识别，在下芯时不致产生下芯方向错误和芯号错误；芯头应设计适当的斜度和间隙；砂芯放置、搬运容易、方便，不易破损或破坏。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案１）芯头类型按照芯头的轴线在砂型中的位置，芯头可以分为垂直芯头和水平芯头，如图４－２２和图４－２３所示。（１）垂直芯头。图４－２２所示为垂直芯头，其上下都有芯头。对于细而高的砂芯，上下都应留有芯头，以免在浇注时受金属液体的冲击而发生位置变动；对于粗而短的砂芯可不设计上芯头，只留有下芯头，以便于合箱；对于稳定的大砂芯可不设计上下芯头，以便于适当调整砂芯位置和减小砂箱高度。（２）水平芯头。图４－２３所示为水平芯头。具有两个及以上芯头的水平芯头定位可靠。水平芯头的尺寸越大，浇注后所受的金属液的浮力越大，芯头的长度也相应增大以提高芯头和芯座之间的承压面积。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案２）芯头尺寸芯头的尺寸包括芯头长度、斜度、间隙、压环、防压环以及积砂槽等，具体的尺寸设计可查相关手册，以下主要说明尺寸设计选择的基本原则。（１）芯头长度。芯头长度指砂芯位于铸型内部部分的长度。对于垂直芯头，芯头长度为其高度ｈ、ｈ１，如图４－２２所示。对于水平芯头，长度为ｌ，如图４－２３所示。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（２）芯头斜度。下芯时为避免碰坏砂型、芯头和芯座，在起模和下芯方向都设有斜度，如图４－２２和图４－２３中的α所示。垂直砂芯的上部芯头和芯座的斜度比下部的斜度大；为确保芯头和芯座的配合，芯座模样芯头的斜度取正偏差，芯盒中芯头斜度取负偏差。有关芯头斜度的具体数值确定请参考有关设计手册。（３）芯头与芯座的间隙。芯头与芯座之间必须有合理的间隙，如图４－２２和图４－２３中的Ｓ所示。间隙过小，下芯、合型困难，易使砂芯和芯座损坏；间隙过大，会降低铸件精度，金属液流入后形成“披缝”或堵塞通气道造成气孔。间隙的大小与铸型种类、砂芯大小、造型方式等有关，手工造型的间隙较大，机器造型的间隙较小。间隙的确定可参考有关设计手册。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（４）压环、防压环和集砂槽。在湿型造型生产线上，为了加快下芯、合箱以及同时保证铸件质量，经常在芯头上设置一些特殊的结构，如压环、防压环和集砂槽。压环可以防止金属液进入芯头堵塞通气道，其通过在芯头模样上车削一道半圆沟槽，造型后在芯座上凸起半环型砂而形成，合型后压紧砂芯阻止金属液进入。防压环可以防止芯头压坏芯座的边缘，其通过在水平芯头模样的根部设置凸起圆环，造型后在芯座相应的部位形成一环下凹的缝隙形成。集砂槽可以收集散落的砂粒以防止形成夹砂缺陷，其通过在下芯座模样的底部边缘上设置凸起圆环，造型后在芯座相应部位形成环形凹槽而形成。压环、防压环和积砂槽的结构如图４－２４所示，有关尺寸可查相关手册。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案３）芯头的定位为了保证铸件质量，一些具有特殊定位要求的砂芯，如非对称砂芯需防止砂芯在型内转动，砂芯的轴向位置具有严格要求、砂芯的两端具有方向性等，必须在芯头上采取特殊的定位结构以保证砂芯的正确位置和方向。图４－２５所示为几种特殊的定位芯头，有关具体尺寸可查相关手册。４）芯撑和芯骨在一些特殊的铸件中，砂芯为悬臂结构，如形成铸件上不通孔的砂芯，对这类砂芯必须采取支撑措施，如图４－７（ａ）所示。在砂型中支撑砂芯的金属构件为芯撑，芯撑材质一般为与铸件成分相近的金属材料。对芯撑的要求：芯撑材料的熔点不得高于铸件材料的熔点；芯撑强度应足够；使用前对芯撑除锈、除油并烘干。芯撑的形状和尺寸根据砂芯的形状和结构而定，应保证浇注过程中支撑稳定，并在凝固后与铸件本体较好的熔合。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案５）砂芯的排气在浇注过程中，砂芯在高温金属液的作用下会产生大量气体，这些气体必须迅速排出铸型之外，否则会使铸件产生气孔。为了排出在浇注过程中产生的气体，砂芯必须具有排气通道。砂芯中的排气通道必须贯通芯头端面；大型的砂芯采取纵横相通的排气通道。砂芯的排气通道尺寸确定可查相关手册。４.２.７铸造工艺参数的确定在铸造工艺设计中，需要选择与设计有关的参数，如铸造收缩率、机械加工余量、起模斜度等，这些参数称为铸造工艺参数。铸造工艺参数选择的是否合理与生产效率和铸件质量密切相关。除铸造收缩率、机械加工余量和起模斜度为常用的铸造工艺参数外，其他工艺参数适用于特定的铸造工艺条件。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案１.铸造收缩率铸造收缩率又称为铸造线收缩率，是铸件从线收缩开始至温度冷却到室温的线收缩率，使用模样与铸件的长度差和铸件长度的百分比值来表示，其计算公式为２.机械加工余量对于具有精度要求的铸件，必须在铸造工序完成后进行机械加工才能达到要求。为了保证机械加工后铸件的尺寸符合要求，在铸造工艺设计时，在待加工的表面上预先增加一层金属厚度，这层增加的金属厚度在机械加工过程中将被切除。这层提前预留的并且在机械加工过程中被切除的金属层厚度称为机械加工余量。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案３.起模斜度为了便于起模，并且在起模时不损坏砂型和砂芯，在模样或芯盒的起模方向设计一定的斜度，这个斜度为起模斜度。起模斜度应设计在垂直于分型面或分盒面并且模样不具有结构斜度的表面上，其大小根据起模的高度、模样材质、造型造芯方法等确定，具体数值可查相关手册。确定起模斜度的注意事项：（１）为防止零件在装配和加工中与其他零件产生相互干扰，实际设计的起模斜度应小于或等于零件图上规定的起模斜度值。（２）为保证铸件壁厚均匀，应使铸件内壁和外壁以及芯盒的斜度值相同，方向保持一致。（３）为保持装配铸件的机器整体外观协调，铸件非加工面上的起模斜度应与相配合零件的外形相一致。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案（４）为避免铸件的金属模样加工时频繁更换刀具，同一铸件的起模斜度最好选择一种数值。（５）为避免安装时铸件部件之间的干涉，非加工装配面上的斜度最好用减小厚度法。起模斜度的取值可采取增、减铸件壁厚的方法，如图４－２６所示。铸件上的起模斜度取值确定后，铸件的尺寸不应超出公差范围。４.最小铸出孔和槽由于金属液的流动性有差别，其可以铸出的孔和槽就有一个尺寸下限。同时，考虑加工和铸造工艺的需要，对最小铸出孔和槽的尺寸有一些规定。一般来说，为节约金属和减少加工工时，较大的孔和槽应铸出来；由于较小的孔和槽便于加工，铸出较为困难，不宜铸出。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案不同种类合金的最小铸出孔尺寸下限并不相同，成批生产的灰铸铁件最小铸出孔直径为１５～３０ｍｍ，铸钢件和单件小批量生产的灰铸铁件为３０～５０ｍｍ；对于弯曲的、无法机械加工的孔应铸出；对于位置精度要求较高的孔、难以机械加工的硬质合金材料铸件上的孔应铸出。铸件最小铸出孔和槽的数值根据合金种类和具体铸造条件查相关手册确定。表４－８所示为铸铁件和非铁合金件的最小铸出孔和槽的尺寸。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案５.工艺补正量在铸件的生产中，尤其在单件、小批量的生产中，由于操作偏差、收缩率选取不准确、铸件变形等，加工后的铸件局部尺寸小于所要求的尺寸。为了防止铸件在加工后局部尺寸过小，在相应非加工面上增加的金属层厚度称为工艺补正量。如图４－２７（ａ）所示，管件在按照尺寸Ｌ加工后，凸缘的厚度小于规定的数值，为了防止凸缘的厚度过小，在模样上位于凸缘加工面的背面增加一个金属层厚度Ａ，这个Ａ值就是工艺补正量。图４－２７（ｂ）所示的铸件凸台是不需要加工的，为了防止其尺寸过小，增加一圈工艺补正量Ａ。工艺补正量的具体数值可根据铸件相关尺寸和合金种类查相关手册确定。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案６.非加工壁厚的负余量在手工造型和制芯中，为了顺利起模，需要敲动模样和芯盒内的肋板；同时，由于模样和肋板吸潮产生膨胀等，相应地会使铸件的非加工壁厚增加，从而造成铸件的尺寸和质量超出所要求的范围。为了保证铸件的尺寸符合要求，对形成铸件非加工壁厚的模样和肋板减去一个相应的数值，这个减小的相应的尺寸数值称为非加工壁厚的负余量。非加工壁厚的负余量仅限于手工造型和制芯，其值的大小根据铸件的质量和壁厚查相关手册确定。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案７.分型负数对于干型和表干型砂型的烘干和修整过程，会使砂型变形，分型面在合型后会产生缝隙。为了防止在浇注时从分型面的缝隙中跑火，合型前在分型面之间放置耐火泥条或石棉绳，这会使型腔的高度增加，铸件的高度尺寸也相应增加。为了保证铸件的高度尺寸不因在分型面之间放置的防跑火材料而增加，设计工艺时在模样相应部位减少一定的尺寸数值，这个减小的尺寸数值称为分型负数。分型负数的具体数值根据砂箱高度和铸型种类可查相关手册。分型负数的几种取法如图４－２８所示。上一页下一页返回４.２铸造工艺方案８.反变形量由于铸件结构复杂以及壁厚不均等原因，各部分在凝固过程中冷却速度不同，相应的收缩不一致导致铸件产生挠曲变形。为了消除铸件的挠曲变形，在制造模样时，按铸件可能变形的相反方向作出相应大小的变形量，这个与铸件实际变形相反的变形量称为反变形量。机床床身的反变形量形式如图４－２９所示。上一页返回４.３浇注系统设计浇注系统不仅担当着金属液充型通道的作用，而且要保证金属液充型时流动平稳，排气通畅，排渣便利，并有利于调节金属液凝固的温度场，减少铸件的凝固缺陷。浇注系统设计是否合理，与铸件质量有着直接的关系。浇注系统的设计应满足以下要求：（１）在规定的时间内平稳地充满铸型。（２）浇注系统应合理控制铸件的温度分布以使铸件按照设计的顺序凝固。（３）浇注系统应具有良好的挡渣能力。（４）浇注系统应具有良好的排气能力，避免充型过程中的卷气和最后充型部位的排气。（５）浇注系统消耗金属液少，并且易清理。下一页返回４.３浇注系统设计浇注系统一般由浇口盆、直浇道、横浇道、内浇道四个基本组元组成，典型的浇注系统如图４－３０所示。随铸件的合金种类和铸件的结构复杂程度不同，浇注系统的组成可相应增减，如小型铸件可无浇口盆，从直浇道口直接浇入；大型铸铁件可增设进行孕育处理的“反应室”，它也是浇注系统的组成部分。４.３.１液态金属在浇注系统中的流动１.金属液在砂型浇注系统中流动的水力学特点金属液在砂型浇注系统中的流动与一般液体在封闭管道中的流动不同，其具有下列特点：（１）具有黏性流体流动的特点：通常的液体黏度较小，而金属液具有较高的黏度。上一页下一页返回４.３浇注系统设计（２）流动过程不平稳：在金属液流动过程中，铸型温度升高和金属液温度降低导致金属液的黏度增加，同时，由于充型过程金属液压头的逐渐减小使金属液的流动动力降低，这都会使金属液的流速处在一个不断变化的过程中。（３）流动管道的表面多孔隙：由于砂型具有孔隙，砂型浇注系统可以被看作一个充满孔隙的管道，金属液在充满“孔隙”的管道中流动时会卷入气体。（４）“紊流”流动：金属液流动的雷诺数Ｒｅ超过临界雷诺数Ｒｅ临，属于紊流流动，增加了夹杂和卷气的可能性。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２.金属液在浇口盆中的流动浇口盆的作用是承接和缓冲来自浇包的金属液，并将金属液引入直浇道，尽量减少夹杂和气体进入直浇道，并为金属液充型提供压力头。在金属液浇入浇口盆的过程中，金属液开始从不同方向流向直浇道。流向直浇道的金属液由于各向流量不均衡，偏离直浇道中心的流股会形成水平旋涡，如图４－３１所示。水平旋涡形成以后会使直浇道上部的金属液旋转起来，旋涡不同直径处的液流切线流速与其距旋涡中心的半径的乘积是相等的，即满足公式ｖ切ｒ＝常数（４－３）上一页下一页返回４.３浇注系统设计水力学模拟实验表明，影响浇口盆内水平旋涡的主要因素是浇口盆内液面的深度，其次是金属液的浇注高度、浇注方向和浇口盆的结构等。浇口盆内金属液面深度和浇注高度的影响如图４－３２所示。液面深度大时不易出现水平旋涡，如图４－３２（ａ）所示；液面深度较小时易出现水平旋涡，如图４－３２（ｂ）所示；液面深度越小和浇注高度越大时，水平旋涡也越容易产生，如图４－３２（ｃ）所示。因此，为了减小水平旋涡，应采用浇包低位浇注，并在开始浇注时采用大流量使浇口盆的液面达到足够的高度。上一页下一页返回４.３浇注系统设计为了使金属液流动平稳和防止熔渣进入直浇道，浇口盆应具有一定的高度，并在浇口盆与直浇道的连接处设置凸起的底坎，如图４－３３（ａ）所示，底坎使金属液流形成垂直旋涡，气泡和熔渣随垂直旋涡上升至液面，有利于挡渣和分离金属液中的气体。对于重要的大中型铸件，可使用带浇口塞的浇口盆，如图４－３３（ｂ）所示。在浇注前使用浇口塞堵住浇口盆中的直浇道入口，当浇注的金属液具有一定深度且熔渣已上浮时拔起浇口塞，使金属液开始流入直浇道，浇口塞使用耐火材料或钢铁金属材料制成。也可用金属薄片代替浇口塞预先盖住直浇道的入口（金属薄片的厚度通过实验确定），当金属液在浇口盆中具有一定深度且熔渣已上浮时金属薄片熔化，金属液开始流入直浇道。此外，浇口盆与直浇道相连接的地方应作出圆角，以避免金属液的冲砂和吸气。上一页下一页返回４.３浇注系统设计３.金属液在直浇道中的流动直浇道的作用是将浇口盆中的金属液引入横浇道，并提供足够压力以克服充型的各种阻力。对液态金属在砂型直浇道中的流动状态进行模拟实验和摄影观察研究，认为液态金属在直浇道中的流动有充满式流动和非充满式流动两种状态。充满式流动状态中，液流充满整个直浇道，无负压和吸气现象；非充满式流动状态，液流没有完全充满直浇道，易产生负压和吸气现象。直浇道入口形状为非圆角时，增加了流动阻力和吸气可能，使金属液呈非充满式流动。直浇道入口常做成圆角形状，圆角半径ｒ≥ｄ／４（ｄ为直浇道入口处直径），以使金属液进入直浇道时呈充满状态。上一页下一页返回４.３浇注系统设计常用的直浇道类型如图４－３４所示，图（ａ）为上大下小的圆锥形（锥度２°～３°）直浇道，这种直浇道便于起模并可使金属液呈正压流动；图（ｂ）是上小下大的倒圆锥形直浇道，常应用在机器造型的生产中，其通过横浇道和内浇道产生的阻流作用使金属液在直浇道中仍呈正压流动；图（ｃ）是圆柱形直浇道，一般用在大型铸钢件的生产中，使用耐火材料制成；图（ｄ）是蛇形直浇道，一般用在易氧化的合金生产中，通过蛇形的弯曲增加阻力来减小流速、吸气和氧化。为了减轻金属液流对直浇道底部的冲击，在直浇道底部设计直浇道窝，以降低金属液的紊流程度，改善金属液流的流动情况。直浇道窝对横浇道内金属液流的影响如图４－３５所示，从图中可以看出，设计了直浇道窝后金属液流在横浇道内的流动平稳性显著改善。上一页下一页返回４.３浇注系统设计直浇道窝在直浇道底部的直径一般为横浇道宽度的２.０～２.５倍，从直浇道底部到直浇道窝底部的深度一般为横浇道高度的１.５～２.０倍，如图４－３６所示。４.金属液在横浇道中的流动横浇道的主要作用是承接来自直浇道的金属液并使金属液流动平稳，阻止金属液中的气体和夹杂进入内浇道，分配金属液流比较均匀地由内浇道进入型腔。简而言之，横浇道的作用是稳流、挡渣、分配液流。上一页下一页返回４.３浇注系统设计１）液流在横浇道中的整体流动情况从直浇道下落的金属液经过直浇道窝的缓冲后流速较为平稳，但仍然以较大的速度流向内浇道位置横浇道末端，在受到型壁的阻挡后液面升高并携带夹杂和气体形成浪头返回，在与后续的金属液相遇后横浇道的液面整体升高，直到横浇道充满。在返回的金属液流浪头与后续的金属液汇合处这一段长度内如果有内浇口，则返回的金属液携带的夹杂和气体会随部分金属液进入内浇道使铸件产生气孔和夹杂，如图４－３７所示。为避免这一问题，最后一个内浇道距横浇道末端的距离应为７０～１５０ｍｍ。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２）横浇道的挡渣作用（１）内浇道的“吸动”作用。在横浇道中流动的金属液流经内浇口时，液流会产生一个流向内浇口的流速ｖ内，这个流速会引起内浇口区域的液流被“吸”向内浇口，近似产生“吸动”作用，如图４－３８所示。这个“吸动”作用随液流速度的增大而增大，吸动区域一般超过内浇口的截面积。为了减小内浇口的吸动作用，常采用较高的横浇道和较低的内浇道。（２）夹杂的上浮。在横浇道金属液中的气体和夹杂密度较小，受到液流向前的速度ｖ横的作用和上浮速度ｖ浮的作用，如图４－３８所示。如果ｖ横足够小，ｖ浮足够大，夹杂在到达第一个内浇口前可以上浮到横浇道顶部，避免进入内浇道吸动区，则铸件就不会产生夹杂和气孔。上一页下一页返回４.３浇注系统设计（３）横浇道的挡渣结构设计。为了避免夹杂和气体进入内浇道，横浇道在结构上应有利于夹杂和气体的上浮。因此，第一个内浇道应与直浇道有足够的距离，以使气体和夹杂有足够的时间上浮。此外，最后一个内浇道与横浇道末端有足够的距离以避免回流金属液与后续的金属液交汇（图４－３８）。３）横浇道的分配流量作用金属液流充满横浇道的同时被分配到各个内浇道并进行充型，而同一横浇道上不同位置、具有相同截面积的内浇道的流量并不相同，远离直浇道的内浇道流量最大，距离越近的流量越小。内浇道的流量不均匀性与浇口比（不同浇道截面积总和之比）、内浇道与横浇道的结构比例以及整个浇注系统的结构等因素有关。上一页下一页返回４.３浇注系统设计浇注系统的结构形式对流量不均匀性的影响如图４－３９所示。４）加强横浇道挡渣的结构措施（１）设置集渣包：在横浇道的上部设置局部加大加固的结构，如图４－４０（ａ）所示，这些局部加大加固的结构称为集渣包。在集渣包位置，因局部截面积增大，金属液流经过时流速降低，密度较小的夹杂和气体上浮到顶部而滞留使金属液得以净化。图４－４０（ｂ）所示为离心式集渣包，金属液沿切线方向进入后产生旋涡，夹杂和气体在旋涡中上浮滞留在顶部而被从金属液中去除。离心集渣包的出口截面积应小于入口，且出口方向与入口相反才可有效除渣。（２）放置过滤网：在直浇道的底部、横浇道的搭接部位放置过滤网可有效除渣。为了避免因放置过滤网而使浇注系统的有效截面积减小，放置过滤网的地方截面积应相应扩大。上一页下一页返回４.３浇注系统设计５）横浇道的断面形状横浇道的断面形状有圆形、圆顶梯形、梯形等多种形式，如图４－４１所示。圆形的热损失最小、流动最平稳，但制作工序复杂。梯形横浇道由于与内浇道连接方便、制作工艺简单而被广泛采用。为了加强横浇道的挡渣作用，横浇道的高度一般为内浇道高度的５～６倍，形状一般为高梯形，梯形的高／宽＝１.２～１.５。５.金属液在内浇道中的流动内浇道是直接把金属液引入型腔的通道，其功能是控制金属液流的充型方向和速度，分配金属液并调节铸件的温度分布以使铸件按要求的顺序凝固，并对铸件起一定的补缩作用。上一页下一页返回４.３浇注系统设计１）内浇道与横浇道的位置关系内浇道与横浇道的位置关系设置对浇注系统的稳流和挡渣影响极大，设计时应考虑以下几点：（１）封闭式浇注系统的内浇道应位于横浇道的下部并与横浇道为同一底面，以防止在浇注开始时夹杂随金属液过早进入内浇道，如图４－４２（ａ）所示；开放式浇注系统的内浇道应位于横浇道上方，如图４－４２（ｂ）所示。由于开放式浇注系统中的金属液呈非充满流动，若将内浇道置于横浇道底部，则夹杂无法及时上浮而进入内浇道，因此内浇道的位置必须设置在横浇道的顶部以有效挡渣。（２）横浇道与内浇道的连接角度关系。为了防止夹杂随金属液流的前端进入内浇道，内浇道与液流的流动方向之间的夹角不应小于９０°，如图４－４３所示。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２）内浇道在铸件上的开设位置选择内浇道在铸件上的位置应从铸件的凝固顺序考虑，以确保铸件按设计的顺序凝固，得到合格无缺陷的铸件。对于壁厚均匀的铸件，应使内浇道分散均匀以使铸件快速充型；对于壁厚相差较大的铸件，如果凝固顺序是从薄壁向厚壁进行，则在厚壁处设置内浇道以确保顺序凝固；如果壁厚相差较大的铸件的凝固顺序是同时凝固，则应从薄壁处设置内浇道以确保铸件各部分同时凝固；对于局部壁厚过大的铸件，应采用设置内浇道位置与冷铁相结合的方法确保凝固顺序；如果铸件设有侧冒口，则应使内浇道通过冒口，以使金属液通过冒口后再进入型腔，提高冒口的补缩效率。上一页下一页返回４.３浇注系统设计３）内浇道的结构形状内浇道的截面形状一般为扁梯形，扁梯形的厚度与高度之比根据内浇道位置的铸件壁厚和凝固顺序确定，如果内浇道处先凝固，则厚度与高度之比应大于６，否则应小于６。内浇道厚度一般为开设位置处铸件壁厚的５０％～１００％，如果内浇道起补缩作用，则可根据实际情况取大一些。内浇道的截面形状如图４－４４所示。４.３.２浇注系统的类型浇注系统可按内浇道在铸件上的开设位置和浇注系统各组元截面积的比例关系两种方法分类。浇注系统类型的选择对铸件质量有直接而重要的影响，在设计浇注系统时必须首先确定浇注系统的类型。浇注系统的选择与铸件的合金种类、成分、铸件结构、技术要求和生产条件有关，需认真分析各种影响因素，经过多种方案的比较选择最优方案。上一页下一页返回４.３浇注系统设计１.按内浇道在铸件上的位置分类按内浇道在铸件上的位置，浇注系统可分为顶注式、底注式、中间注入式、阶梯式和垂直缝隙式浇注系统。１）顶注式浇注系统内浇道开设在铸件顶部位置的浇注系统称为顶注式浇注系统，如图４－４５所示。顶注式浇注系统具有以下优点：（１）金属液从铸件顶部引入，铸件温度场有利于从低到高的顺序凝固，便于发挥顶部冒口的补缩作用。（２）金属液充型过程中重力始终起有效作用，充型能力强，充型时间短。（３）造型工艺简便、模具制造容易，浇注系统和冒口消耗金属少，铸件清理方便。上一页下一页返回４.３浇注系统设计根据铸件结构形式的不同，顶注式浇注系统分为压边式、楔形、雨淋式浇道等几种形式。（１）压边式浇道。压边式浇道如图４－４６所示，该浇道为位于铸件顶部细长的缝隙，浇注时浇口可迅速充满并保持液面具有一定高度，便于熔渣上浮；浇注速度与凝固速度基本一致，补缩效率高，铸件充满后缝隙停止流动并很快凝固。压边缝隙的形状一般根据铸件形状确定，缝隙的宽度一般为２～７ｍｍ，长度为圆形铸件周长的１／６，方形中小件边长的１／２。压边式浇道浇注时金属液不能直冲缝隙，最好采用具有直、横浇道的压边式浇道，如图４－４６（ｂ）所示。上一页下一页返回４.３浇注系统设计（２）楔形浇道。楔形浇道如图４－４７所示，其为上宽下窄的长条缝隙，所以称为楔形浇道。楔形浇道的厚度一般小于铸件壁厚，为了清理方便，较长的楔形浇道可做成锯齿形，如图４－４７（ｂ）所示。楔形浇道通常用于盖类薄壁铸件。（３）雨淋式浇道。雨淋式浇道的内浇道是由一定数量、均匀分布的小圆柱组成的，浇注时从内浇道充型的金属液如雨淋般进入型腔，所以称为雨淋式浇道，其形式如图４－４８所示。雨淋式浇道的金属液分为多股液流充型，对铸型的冲击小，避免了局部金属液过热现象；多股液流充型产生搅动作用，使气体和夹杂易于上浮，减轻了夹杂和气孔。由于金属液分为多股充型，易于氧化，不宜应用于易氧化金属（如镁、铝合金）等。雨淋式浇道一般应用于质量要求较高的大中型筒形铸件，如卷扬机筒、气压缸套等。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２）底注式浇注系统内浇道开设在铸件底部，金属液从铸件底部充型的浇注系统称为底注式浇注系统，如图４－４９所示。反雨淋式浇道如图４－５０所示，其内浇道设置在铸件底部，金属液充型的方向向上，与雨淋式浇道向下的充型方向正好相反，所以称为反雨淋式浇道。反雨淋式浇道适用于易氧化的中小型圆筒类铸件。牛角式浇道如图４－５１所示，其形状如同弯弯的牛角，因此称为牛角式浇道。牛角式浇道适用于难以使用其他底注方式充型的、质量要求较高的中小铸件。在图４－５１中，手轮铸件的四周不能开设浇道，采用牛角式浇道可平稳充型，较好地解决了金属液充型问题。上一页下一页返回４.３浇注系统设计３）中间注入式浇注系统内浇道在铸件中部并开设分型面上的浇注系统称为中间注入式浇注系统，如图４－５２所示。中间注入式浇注系统的金属液充型位置介于底注式和顶注式之间，分型面以上的型腔相当于底注式，分型面以下的型腔相当于顶注式，所以兼有底注式和顶注式的特点。中间注入式浇注系统的内浇道开设在分型面上，造型简便，一般在机器造型中广泛使用，也适用于高度不大，水平尺寸较大的铸件。上一页下一页返回４.３浇注系统设计４）阶梯式浇注系统在铸件的不同高度上开设多层内浇道的浇注系统称为阶梯式浇注系统，如图４－５３所示。阶梯式浇注系统中，金属液充型先从最底层内浇道开始，金属液高度接近第二层内浇道时又开始从此浇道充型，从低到高，依次从不同高度的内浇道充填型腔。阶梯式浇注系统具有与底注式浇注系统相同的铸件温度分布，即从低到高铸件温度逐渐增高，有利于按从下到上的顺序凝固；金属液从不同高度内浇道充型，避免了局部过热；从下到上的充型顺序也利于排气，金属液充型能力强，减小了冷隔和浇不足的可能性。上一页下一页返回４.３浇注系统设计５）垂直缝隙式浇注系统内浇道沿铸件高度以片状形式相连，金属液充型时自下而上充型的浇注系统称为垂直缝隙式浇注系统，如图４－５４所示。垂直缝隙式浇注系统是阶梯式浇注系统的特殊形式，具有阶梯式浇注系统的优点：充型平稳，温度分布有利于补缩。由于垂直缝隙式浇注系统具有消耗金属液多、浇道切割困难等缺点，主要应用在轻合金铸造中，在铸钢、铸铁铸造中较少应用。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２.按浇注系统各组元截面积的比例关系分类浇注系统各组元截面积是指直、横、内浇道和阻流部分（浇注系统中截面积最小的截面）的截面积，分别用Ｓ直、Ｓ横、Ｓ内、Ｓ阻表示。按照浇注系统各组元的截面积比例关系（简称浇道比），浇注系统可分为封闭式、开放式和半封闭式三种。１）封闭式浇注系统直、横、内浇道的面积依次减小的浇注系统称为封闭式浇注系统，各组元截面积的比例关系为Ｓ直＞∑Ｓ横＞∑Ｓ内。在封闭式浇注系统中，内浇道截面积最小，也是阻流截面。这种浇注系统的优点是开始充型时浇注系统迅速被充满，并呈充满状态流动，挡渣能力好。但封闭式浇注系统中的金属液充型速度较大，金属液易产生喷溅、氧化和卷气，所以适用于不易氧化的合金和中小型铸件。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２）开放式浇注系统直、横、内浇道的面积依次增大的浇注系统称为开放式浇注系统，各组元截面积的比例关系为Ｓ直＜∑Ｓ横＜∑Ｓ内。这种浇注系统的特点与封闭式相反，金属液呈非充满状态流动，流速低，充型平稳，但挡渣能力较差，需采用过滤网等措施来强化挡渣效果。开放式浇注系统适用于易氧化的合金以及用柱塞式浇包浇注的中大型铸件。３）半封闭式浇注系统半封闭式浇注系统的直、横、内浇道的截面积之间的关系为∑Ｓ横＞Ｓ直＞∑Ｓ内。对于充型的金属液，直浇道和横浇道之间是开放式的，横浇道和内浇道之间是封闭式的。充型时直浇道迅速充满，而横浇道充满较慢，流速较低，因此有利于挡渣。半封闭式浇注系统的特点介于开放式和封闭式之间，其充型平稳，挡渣效果较好，适用于一般结构简单的小型铝、镁合金铸件。上一页下一页返回４.３浇注系统设计４.３.３铸铁件浇注系统的尺寸计算在浇注系统的类型和金属液引入位置确定后，就可以确定浇注系统的尺寸和结构了。浇注系统的尺寸计算主要是应用水力学公式或经验公式先计算出浇注系统最小截面（阻流截面）的尺寸，综合考虑铸件大小、结构等因素选择合适的直、横、内浇道的截面积比例（浇道比），最后确定浇注系统各组元的结构和形状。１.最小阻力截面积的计算液态金属充型时在浇注系统中的流动与水在管道内的流动具有相似性，因此可根据水力学公式计算浇注系统最小阻流截面积的大小。计算浇注系统阻流截面积大小的示意图如图４－５５所示。上一页下一页返回４.３浇注系统设计２.其他组元截面的确定通过奥赞公式计算出最小阻流截面积以后，根据合金种类和铸型、铸件特点，结合浇注系统的分类，即浇注系统属于封闭式、开放式、半封闭式的哪种类型，确定浇注系统各组元的截面比例关系，然后按照比例关系计算出其他组元的截面积大小，再根据截面大小确定各组元的形状和尺寸，整个浇注系统的结构、尺寸便最终确定。确定浇注系统各组元截面比例关系的数据参考表４－１５，直浇道和横浇道的截面尺寸和形状可查相关手册。上一页下一页返回４.３浇注系统设计４.３.４其他合金铸件浇注系统设计由于合金种类不同，其在充型时的特点也不同，如铸钢的收缩较大、流动性较差，铝镁合金易氧化，球墨铸铁需球化处理等。为了使合金在浇注过程中顺利充型并得到轮廓清晰、形状完美的铸件，就必须针对不同合金的特点设计相应的浇注系统。尽管不同合金的浇注系统有所不同，但浇注系统设计的理论依据都是水力学基本方程，其他合金的浇注系统设计都是在铸铁件浇注系统设计基础上的改进和补充。上一页下一页返回４.３浇注系统设计１.铸钢件浇注系统设计１）铸钢件浇注系统设计的特点铸钢件熔点高、易氧化、收缩大、流动性差，为了提高铸钢件的充型能力、减轻氧化和便于挡渣，通常采用漏包浇注，并采用开放式的浇注系统，阻流截面为钢包底孔的直径。漏包浇注的原理如图４－５６所示。机械化流水线生产小型铸钢件时采用转包浇注，其浇注系统设计计算与铸铁件基本类似，但一些系数选择不同（请查相关手册）。２）漏包浇注系统的计算（１）浇注时间ｔ的计算。ｔ＝ｋｍ（４－１４）上一页下一页返回４.３浇注系统设计式中，ｔ为浇注时间（ｓ）；ｍ为型内金属液总质量（ｋｇ）；ｋ为与铸件形状和质量有关的系数，参考表４－１６确定。计算得出的浇注时间是否合理，可用铸钢液在型内的上升速度是否大于最小型内上升速度来验算，如果大于最小型内上升速度，浇注时间合理，否则必须缩短浇注时间或调整浇注位置。表４－１７所示为铸钢液的最小型内上升速度。（２）确定包孔直径。浇注的铸钢液总质量ｍ、浇注时间ｔ、包孔数量ｎ已知，则钢液流量ｑ为上一页下一页返回４.３浇注系统设计根据式（４－１０）即奥赞公式，流量ｑ可表示为将式（４－１５）代入式（４－１６），则可得阻流截面积，即包孔截面积为（３）确定浇注系统各组元截面积。包孔的截面积确定以后，就可以根据选定的浇注系统组元截面积之比确定其他组元截面积。由于采用的是开放式浇注系统，故必须满足∑Ｓ阻≤∑Ｓ直≤∑Ｓ横≤∑Ｓ内条件。各组元截面比例关系推荐值为上一页下一页返回４.３浇注系统设计２.球墨铸铁件浇注系统设计球墨铸铁件的浇注系统设计可参照铸铁件的设计，但由于球墨铸铁液经过球化孕育处理后温度较低，流动性较差，必须快速平稳充型，所以浇注系统的截面积比铸铁件的要大，其浇注系统一般采用半封闭式或开放式。当内浇道通过冒口充型时，采用封闭式浇注系统以利于挡渣并平稳充型。球墨铸铁件浇注系统的最大特点是增加了球化反应室，如图４－５７所示。３.可锻铸铁件浇注系统设计可锻铸铁件虽然属于铸铁，但其熔点高于灰铸铁，收缩大而流动性差，浇注系统应充型快并有利于补缩。可锻铸铁的浇注系统截面积通常比灰铸铁大２０％左右，采用带有暗冒口的封闭式浇注系统。可锻铸铁件浇注系统如图４－５８所示。上一页下一页返回４.３浇注系统设计４.铝、镁合金件浇注系统设计铝、镁合金密度小、熔点低、化学性质活泼、易氧化和吸收气体，除高度较小（不大于１０ｍｍ）不重要的小件可采用顶注式浇注系统外，一般采用开放式的底注式浇注系统。铝、镁合金的浇注系统引入合金液力求平稳，故一般采用垂直缝隙式的浇注系统。如果要求充型尽量平稳，为了降低流速，通常采用蛇形浇道以增加流动阻力。铝、镁合金通常采用的浇注系统截面积比例如表４－１９所示。上一页下一页返回４.３浇注系统设计５.铜合金件浇注系统设计铸造铜合金种类较多，最主要的有铝青铜、锡青铜、黄铜等。各类铜合金特性相差较大，浇注系统设计也各有特点。铝青铜结晶温度范围较窄，易氧化产生夹杂，多采用底注开放式浇注系统，并采用过滤网、集渣包增强除渣效果。锡青铜结晶温度范围较宽，易产生缩松，但其氧化并不严重，浇注系统设计主要考虑减轻缩松问题，所以一般采用压边式、雨淋式的顶注式浇注系统。黄铜结晶温度范围窄，不易氧化和吸气，浇注系统设计主要考虑减小缩孔问题，一般采用顺序凝固方式。上一页返回４.４冒口和冷铁冒口是铸型内储存补缩铸件最后凝固部位收缩的金属液的空腔结构，其可防止铸件产生缩孔和缩松，并具有排气、集渣和引导金属液平稳充型的作用。冷铁是加速铸件局部厚大部位快速凝固的金属构件，其与冒口配合控制铸件的凝固温度场，使铸件按要求的顺序凝固。４.４.１冒口的补缩机理１.冒口概述１）冒口的种类如图４－５９所示冒口的种类较多，其分类。下一页返回４.４冒口和冷铁顶冒口设置在铸件的最高部位，使铸件产生从下到上的凝固顺序，便于补缩，也有利于排气和熔渣上浮，处于型腔最高处的铸钢件厚大部位通常采用顶冒口补缩。当铸件需要补缩的部位处于侧面或下部时，通常采用侧冒口。常用冒口的种类如图４－６０所示。２）冒口的形状冒口最主要的作用是为铸件被补缩部分提供足够的金属液，只有冒口的凝固晚于被补缩部位，冒口才能发挥作用。因此，冒口的形状应使其具有最大的模数。在具有相同体积的所有形状的冒口中，球形冒口具有最大的模数，在相同条件下，金属液凝固时间最长，补缩效果最好，其他补缩效果较好的形状依次为圆柱形、长方体形等。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁由于球形冒口制作、起模困难，在实际生产中较少采用。实际生产中应用的冒口形状多为球形、球顶圆柱形、圆柱形、腰圆形等，如图４－６１所示。３）冒口的位置冒口设置的位置直接影响补缩效果，冒口的位置不正确，不但不能有效补缩而导致缩孔、缩松仍然未能消除，还会使铸件结构局部变形或产生裂纹。确定冒口的位置应注意以下几点：（１）冒口应设置在被补缩部位的上方或侧面。（２）应使用冷铁隔开设置在不同高度的冒口的补缩区域，防止上部冒口在补缩热节的同时补缩下部冒口而导致上部被补缩区域产生缩孔，如图４－６２（ａ）所示。（３）冒口位置应避免设置在应力集中或受力较大的重要部位，以免铸件产生裂纹或晶粒粗大而造成力学性能下降。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁（４）冒口尽可能设置在加工面上以提高加工效率。（５）可用一个冒口补缩位置相距较近的多个热节，以提高冒口补缩效率，如图４－６２（ｂ）所示。２.冒口的补缩机理冒口要起到补缩作用，就必须具备以下条件：冒口的模数大于铸件被补缩部位模数；在冒口与铸件被补缩部位之间具有金属液补缩的流通通道。冒口的模数大于铸件被补缩部位，则冒口凝固的时间晚于被补缩部位，在整个凝固期间冒口就会提供足够的金属液进行补缩；但同时在冒口和被补缩部位之间的通道必须畅通，否则即使冒口晚于被补缩部位凝固也无法补缩。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁１）冒口的有效补缩距离图４－６３所示为板状铸件的冒口补缩凝固过程，冒口位于铸件的左端，在冒口右边为铸件被补缩区域。在冒口补缩的区域形成了三个明显的区域，如图４－６３（ｃ）所示。（１）冒口区：紧临冒口的区域。在冒口区，由于冒口中的金属液的热作用，凝固过程中始终存在着补缩通道，补缩通道向着冒口方向逐渐扩大，并形成一个张开的角度φ，这个角度称为冒口扩张角。冒口区在凝固完成的过程中一直有充足的金属液补缩，因此其组织致密。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁（２）末端区：距冒口最远的被补缩区域。在末端区，由于远离冒口，其端部散热较快而很快凝固，在凝固界面推进的过程中也产生了一个向着冒口张开扩张角的补缩通道，整个凝固过程也可以得到充分的金属液补缩，在凝固后组织也致密。（３）轴线缩松区：在冒口区和末端区之间，由于末端的激冷作用难以触及，而冒口区的热作用也有限，在凝固后期没有足够的金属液补充，最后凝固的中心轴线部位产生了缩松，这一区域称为轴线缩松区。２）冒口补缩范围的确定冒口的补缩范围是以冒口中心为圆心，以冒口有效补缩距离与冒口半径之和为半径的圆的范围。冒口的有效补缩距离与合金种类及成分、铸件结构、冷却条件等有关系。根据冒口的补缩范围，结合铸件需要补缩的长度，可确定所需的冒口数量。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁（１）不同合金种类的冒口补缩范围。①铸钢件冒口补缩范围。铸钢件（ｗ（Ｃ）＝０.２％～０.３％）的形状简化为板形件（截面的宽∶厚≥５∶１）和杆形件（截面的宽∶厚＜５∶１），根据铸件的厚度δ，通过图４－６４确定冒口的有效补缩距离，具体的数据从图４－６５、图４－６６确定。②铸铁件的冒口补缩距离。灰铸铁凝固时的石墨化膨胀可以抵消大部分凝固的体积收缩，只要设计的冒口能补缩凝固之前的液态收缩就可以消除缩孔、缩松。灰铸铁件冒口的补缩距离与碳、硅含量成正比关系，如图４－６７所示，根据碳、硅含量，结合冒口尺寸可以查得补缩距离。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁球墨铸铁件的冒口补缩距离小于灰铸铁件，当铸件被补缩部位的壁厚δ小于２５.４ｍｍ时，冒口的补缩距离为（４～５）δ。③有色合金的冒口补缩距离。有色合金的冒口补缩距离如表４－２０所示。（２）增加外冷铁后冒口的补缩范围。在铸件被补缩部位的冒口有效补缩距离末端放置外冷铁，外冷铁的激冷作用使向着冒口方向的温度梯度增加，相当于增加了冒口的末端区，明显增加了冒口的有效补缩距离。在两个冒口补缩范围的中间放置冷铁，相当于在两个冒口中间增加了激冷端，使冒口的有效补缩距离比未加冷铁时加长了２倍的冷铁激冷区。对于灰铸铁杆形件，增加外冷铁后冒口的有效距离增加一个铸件厚度δ；对于板形件，增加了５０ｍｍ。外冷铁对冒口有效补缩距离的影响如图４－６８所示。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁（３）补贴的应用。实现冒口的补缩条件之一在于补缩通道具有向着冒口张开的扩张角。如果冒口模数足够补缩而通道堵塞，也无法实现补缩。因此，对于板形件和杆形件，通常在冒口有效补缩距离内，为了提高通道的扩张角，人为地增加从冒口末端向冒口方向逐渐增加的铸件壁厚，这层人为增加的铸件壁厚称为补贴。铸件的补贴在最后的加工过程中必须切除，以符合图纸要求的尺寸。补贴分为水平补贴和垂直补贴，水平补贴的尺寸用冒口模数Ｍ冒表示，补贴的模数为Ｍ补，其值与冒口颈模数相等，Ｍ补＝ａｂ／［２（ａ＋ｂ－ｃ）］＝Ｍ颈，冒口的宽度与补贴的宽度ａ相同，如图４－６９所示。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁垂直补贴如图４－７０所示。对于顶注式板形铸钢件，补贴厚度、铸件高度与铸件厚度之间的关系如图４－７１所示，可通过铸件的高度和厚度直接查出靠近冒口的补贴厚度。对于顶注式杆件，由于有效补缩距离小于板形件，其从图４－７１所得的数据基础上根据宽厚比应再乘一个补偿系数，补偿系数如表４－２１所示。除以上通过查表确定补贴的数值方法，也可通过作图的方式确定铸件的补贴值，如图４－７２所示为齿轮铸件的轮缘和轮毂补贴值的确定。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁４.４.２铸钢件冒口设计铸钢在凝固过程中只有收缩，其冒口设计方法适用于只有收缩的大多数合金的凝固，属于通用冒口设计。对于凝固过程只有收缩的合金，通过设计冒口控制凝固顺序进行补缩，可以获得无缩孔或缩松较少的铸件。常用的冒口设计方法有比例法、模数法、补缩液量法。１.比例法比例法也称热节圆法。比例法的主要原理是使冒口根部的直径大于铸件被补缩部位的热节圆直径一定比例，来满足补缩需要，用公式表示为Ｄ＝ｃｄ（４－２１）式中，Ｄ为冒口根部直径，ｄ为铸件被补缩部位热节圆直径，ｃ为比例系数。上一页下一页返回４.４冒口和冷铁应用比例法最重要的是确定比例系数ｃ，比例系数与铸件结构和铸件的质量要求有关，可结合生产实际确定。表４－２２所示为不同形式的冒口的比例系数。２.模数法１）模数法设计冒口的原理根据铸件凝固时间的计算公式，即平方根定律，有上一页下一页返回４.４冒口和冷铁从平方根定律可知，只要冒口凝固时间大于铸件被补缩部位的凝固时间并且有足够补缩的金属液，冒口就可以对铸件完成补缩。由于冒口和铸件的凝固系数相同，所以只要冒口的模数Ｍ冒大于铸件被补缩部位的模数Ｍ件，则冒口就可以完成补缩，即Ｍ冒＞Ｍ件（４－２３）式（４－２３）就是模数法设计冒口的基本原理。由于在冒口和铸件被补