铸造浇注系统设计讲解课件.ppt

第七章 浇注系统设计,本章主要讲授浇注系统类型的选择，浇注最小截面尺寸的计算，其它铸造合金浇注系统的特点。要求掌握浇注系统的选择原则。重点为浇注系统的选择原则和确定浇注位置，难点为浇注系统选择原则的灵活应用。,概 述,浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道之总称,组成：浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道、内浇道,正确设计浇注系统使液态合金平稳合理的充满型腔，对铸件品质影响很大，铸件废品中的30%是因浇注系统不当引起。,浇注系统的组成,浇注系统设计原则,使液态合金平稳充满铸型，不冲击型壁和型芯，不产生涡流和喷溅，不卷入气体，并利于型腔内的空气和其他气体排出型外，防止金属液过度氧化及产生砂眼、冷豆、气孔。,阻挡夹杂物进入型腔，以免在铸件上形成渣孔。,调节铸型及铸件各部分温差，控制铸件的凝固顺序，不阻碍铸件的收缩，减少铸件的变形和开裂倾向。,合金液流不应冲刷冷铁和芯撑。防止冷铁的激冷效果降低及表面熔化，避免芯撑过早软化和熔化，造成铸件壁厚变化,浇注系统设计原则,浇注系统尽可能结构简单紧凑，占砂箱面积小，体积小，有利于减少冒口体积，节约合金和型砂，提高砂箱利用率，方便造型、清理和浇注系统模样的制造,使液态合金以最短的距离，最合适的时间充满型腔，有足够的压力头，并保证金属液面在型腔内有必要的上升速度等，以确保铸件的质量；,起一定的补缩作用，在内浇道凝固前补给部分液态收缩,浇注系统的设计内容与步骤,选择浇注系统的类型和结构；合理地在铸型中布置浇注系统及确定内浇道的引入位置和个数；计算浇注时间和浇注系统中的最小断面积，确定直浇道的高度（如有浇口杯则从杯中液面高度算起）按经验比例数据决定其他组元的断面积；大批量生产时需经过生产阶段的反复，如有不足之处，应调整以上各项设计内容，甚至修改工艺方案，直到合理并保证质量为止。,第一节 液态金属在浇注系统的流动,型壁的多孔性、透气性和合金液的不相润湿性，给合金液的运动以特殊边界条件,在充型过程中，合金液和铸型之间有着激烈的热作用、机械作用和化学作用；合金液冲刷型壁，粘度增大，体积收缩，吸收气体、使金属氧化等；,浇注过程是不稳定流动过程 在型内合金液淹没了内浇道之后，随着合金液面上升，充型的有效压力头渐渐变小 型腔内气体的压力并非恒定 浇注操作不可能保持浇口杯内液面的绝对稳定,一、砂型流动的水力学特点,合金液在浇注系统中一般呈湍流状态,多相流动 一般合金液总含有某些少量固相杂质、液相夹杂和气泡，在充型过程中还可能析出晶粒及气体，故充型时合金液属于多相流动,一、砂型流动的水力学特点,浇口杯作用：用来承受来自浇包的金属液流并引入直浇道，防止过浇而溢出；避免流股直冲直浇道，减少液流对铸型的冲击有一定的挡渣作用；当砂箱高度低、压头不够时，又可用以增加金属液的静压头。,二、浇口杯中的流动,浇口杯分类：漏斗形浇口杯、池盆形浇口杯,二、浇口杯中的流动,漏斗形浇口杯特点：结构简单，制作方便，容积小，消耗金属液少；只能用来接纳和缓冲浇注的金属流股，挡渣能力小；应用：主要用在小型铸铁件及铸钢件，广泛用于机器造 型。结构：漏斗口的直径应该比直浇道大一倍以上。可用带滤网的漏斗形浇口杯。,池盆形浇口杯特点：挡渣作用明显，但是制作程序复杂，消耗的金属较多应用：主要用于中大型铸铁件。结构：浇口盆的深度应该大于直浇道上端直径的5倍。,浇口杯中应避免出现水平涡流,液态金属在平底的浇口杯中流动 时易出现水平涡流。流量分布不均匀造成流速方向偏 斜。水平分速度对直浇道中心线 偏斜，形成水平涡流运动。在涡 流中心区形成一个漏斗形充满空 气的等压自由液面的空穴。容易 将空气和渣子带入直浇道。,原因：水平各向流量不均衡造成流速方向的偏斜。,若忽略金属粘度的影响，视液态金属为理想流体，浇口杯内液态金属应满足动量矩守衡：Mvr=常量式中：M 距离直浇道中心为r处的质点的质量 v M点的切线速度 r M点距离直浇道中心的距离。漏斗形等压自由液面的形成：一旦出现水平旋涡，越靠近中心，M质点的离心加速度越高，重力加速度和离心加速度的合成加速度越接近于水平，根据流体力学原理，等压面垂直于总加速度方向。等压面逐步由水平过度到垂直，形成中空的大气压力表面。对铸件质量的影响：卷气、渣沿等压面进入型腔。,影响水平旋涡的因素 浇口杯中金属流股的水平分速度越大，越容易形成水平旋涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关：a 浇口杯内液面的深度：液面深度超过直浇道上端直径的5倍时可基本消除水平旋涡。b 浇注高度：浇包嘴离浇口杯越高，越容易产生水平旋涡。,c 浇注方向：逆向浇注较顺向浇注为佳。纵向逆浇不易形成水平涡流，而纵向顺浇易将夹渣带入型腔；带底坎时，侧向浇注时金属液可能绕过底坎从另一侧进入直浇道形成水平涡流。,图 底坎和浇注方向对液流流向的影响a)纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧向浇注,纵向顺浇方便浇注工作，不易产生垂直涡流，轻质点夹杂物进入直浇道的可能性大；纵向逆浇易形成垂直涡流，有助于夹杂物上浮。侧向浇注形成垂直涡流的可能介于上述两者之间，液流从一侧流向直浇道，易形成水平涡流。,图 底坎和浇注方向对液流流向的影响a)纵向逆浇 b)纵向顺浇 c)侧向浇注,生产中减轻水平旋涡的措施a 用大深度浇口杯b 浇口杯底部安放筛网等,c 在浇口杯底部设置堤坝，形成垂直旋涡。,垂直旋涡的挡渣作用：金属液沿斜壁流下，由于流速的减低和流向的改变，形成垂直方向的旋流。,在池形浇口杯中增设隔板和在浇口杯出口处又有底坎，就能把浇包落入浇口杯中流股的紊乱搅拌作用限制在浇注区范围内，且能急剧改变流股方向，形成使轻质点杂质上浮的流向。,a)合理 b)不合理,d 用拔塞等方法，使浇口杯内液面达到一定深度时再向直浇道注入,即使带隔板和底坎（或凹坑）的浇口杯，也不能完全阻挡浇注开始时液流带入的气体和夹杂物，故浇注重要铸件时，常在浇注前用各种方法将直浇道堵住，等浇口杯充满后再打开，并一直保持浇口杯的液面高度。,浇口杯的结构设计 1)浇口杯中金属液面的高度：H5d直上，而且浇口杯与直浇道要采用圆角连接,r0.25d直上；2)采用纵向逆浇，设置底坎、挡板和闸门等；3)采用特殊结构的浇口杯：拔塞式、浮塞式、铁隔片式、闸门式等；4）浇口杯与直浇道相连的边缘做成凸起状。,直浇道的功用：引导金属液进入横浇道、内绕道或直接导入型腔；提供足够的压力头，使金属液克服各种流动阻力，在规定时间内充满型腔。,三、直浇道中的流动,直浇道形状：常做成上大下小的锥形、等断面的柱形和上小下大的倒锥形。,（1）液态金属在直浇道中的流动特点,直浇道一般不能挡渣，而且金属液通过时容易带入气体。当气体被卷入型腔时而又不能顺利逸出时就会在铸件中形成气孔。,1）水模拟实验真空吸气理论实验条件：采用有机玻璃模型，制作浇口杯和直浇道两组元浇注系统，采用水模拟的方法，采用尖角、圆角连接形式，采用等断面和变截面的直浇道结构。,直浇道入口处的形状影响液流分布：尖角连接时直浇道内呈不充满流动；圆角连接时则为充满状态。,直浇道形状影响液流的内部压力：尖角连接时不充满，而且流股呈渐缩形，直浇道上口有真空区存在。,有锥度的直浇道呈充满状态，且呈正压流动，从直浇道上的小孔流水；而等断面的直浇道虽然也呈充满状态，但是却呈负压流动，吸入气体；,（1）液态金属在直浇道中的流动特点,直浇道的流动特点（1）两种流态：充满和不充满。非充满状态易带气，但在底注包浇注时或用阶梯浇注系统时采用。（2）非充满直浇道中金属液以重力加速度做等加速运动，流股必定向内收缩；流股内部与砂型表层气体之间无压力差，气体不可能被吸入，而是被金属表面吸收和带走。（3）直浇道入口形状影响金属流态。入口尖角时，增加流动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈充满流态，要求入口处圆角半径rd/4。（4）水利学模拟实验与砂型中实际流动状况有差异。（5）砂型中直浇道充满的理论条件。,26,2）真空吸气理论 假设条件：浇注系统是由不透气材料制成；流体呈稳定流动，且为不可压缩流体；直浇道为等断面结构。如图所示，选择直浇道的出口2-2为分析的基准面，则伯努利方程可写为：其中，Z2=0，P2=Pa，整理得：,由于是稳定流动，根据连续流动定律，有：F1V1=F2V2，F1=F2，V1=V2则因为Z1远远大于h1-2，所以，（P2-P1）/0，P2 P1，P2=Pa，Pa P1。因此，真空吸气理论的分析可以得出结论：在直浇道中有真空度存在，流体经过浇注系统时要吸入气体。,1）、入口处的连接(与浇口杯连接处)采用圆角，一般要求入口处圆角半径rd4(d为直浇道上口直径)。这样可以减少气体的卷入和避免尖角型砂被冲掉引起冲砂缺陷。,直浇道结构设计,防止液流带入气体和冲砂，设计直浇道时应注意以下几点：,直浇道的形状上大下小的锥形即设计锥度,2）直浇道的形状,则：v2v1,可使P2P1，流体呈正压流动；,上大下小的锥形，有利于在直浇道中呈正压流动，能防止吸气或非充满状态而带气。,3、蛇形直浇道则使h1-2,增大，保证P2P1。蛇形直浇道时利用增加水力损失改变直浇道压力分布的一例，多用于有色金属铸件和直浇道直接接于型腔时。,4、直浇道尽量设在横、内浇道的对称中心处，以使金属液流程最短，流量分布均匀。,4）、设直浇道窝,金属液对直浇道底部有强烈的冲击作用，并产生涡流和高度紊流区，常引起冲砂、渣孔和大量氧化夹杂物等铸造缺陷。设直浇道窝（凹井）可改善金属液的流动状况。,直浇道窝的作用,缓冲作用：液流下落的动能有相当大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，减轻了对直浇道底部铸型的冲刷。,直浇道窝的作用,改善内浇道的流量分布：例如在S直：S横：2S内=1：2.5：5的实验条件下，无直浇道窝时，两相等截面的内浇道的流量分配为：31.5%（近直浇道者）和68.5%（远者）；有直浇道窝时的流量分配为：40.5%（近直浇道者）和59.5%（远者）。,直浇道窝的作用,减小直-横浇道拐弯处的局部阻力系数和水力压头损失。,缩短直-横浇道拐弯处的湍流区。,浮出金属液中的气泡：最初注入型内的最初金属液中，常带有一定量的气体，在直浇道窝内可以浮出去。,直浇道窝的作用,直浇道窝的直径应为直浇道下端直径的1.4-2倍，高度为横浇道直径的2倍，直浇道与横浇道的连接也应做成圆角。,直浇道窝结构设计,直浇道窝常做成半球形、圆锥台等形状。,湿型砂强度低，必要时可在直浇道底放一干芯片（或耐火砖片）以承受金属液的冲击。,四、横浇道中的流动,1、横浇道的作用连接直浇道与内浇道平稳而均匀的向内浇道分配洁净金属储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并档渣使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物。,主要作用是捕集、保留由浇道流入的夹杂物，所以又称“捕渣器”，是浇注系统最后一道挡渣关口。要求横浇道平稳、缓慢地输送金属液，而低速流动又可减少充填时对型腔时的冲击，利于渣粒在横浇道中上浮并滞留在其顶部而不进入型腔。,横浇道：将金属液从直浇道导入内浇道的水平孔道,1、横浇道中的液流分配,金属液从直浇道进入横浇道初期，以较大速度沿长度方向向前运动，等到达横浇道末端冲击该处型壁后，金属液的动能转变为势能，横浇道末端附近液面升高，形成金属浪，并开始返回移动，使横浇道内液面向直浇道方面逐渐升高，直到全部充满。,2.横浇道的挡渣作用1）夹渣的上浮速度 式中：r-渣粒半径，cm；-金属液粘度，0.024dyne.s/cm2；液，渣-金属液和夹渣的密度，g/cm3。,临界悬浮速度：当流体的运动速度达到一定值时，可使比流体密度轻的物质悬浮在流体中而不能上浮；临界沉混速度：当流体的运动速度达到一定值时，可使比流体密度重的物质随流体运动；垂直分速度：阻碍夹杂物上浮的速度，与上浮速度方向相反。一般认为：V垂=0.2V水,渣团上浮阻力：F=CSV2/2式中：F-渣团上浮阻力-液态金属的密度S-渣团的水平投影面积V-渣团上浮速度C-渣团上浮阻力系数，与液体雷诺数有关，见表,43,渣团临界上浮速度：阻力F=浮力时的速度。式中 R-渣团半径-金属液密度 渣-渣团密度g-重力加速度 v0-渣团临近上浮速度，又称悬浮速度。,金属液的悬浮速度：当金属液流速（与上浮速度反向）等于渣团的临近上浮速度时的速度 总结：a 渣团半径小，对应悬浮速度也越小。b 对应一定横浇道的流速有一可能上浮的临近渣团半径，只有大于临近半径的渣团才能上浮。c 渣团密度相对于金属液密度越小，越有利于上浮。d 横浇道内金属的流速越低，可能阻流的渣团也越小。,3）吸动作用区吸动作用：横浇道内向前流动的金属液，在内浇道附近除了有继续向前的运动速度外，还有一个向内浇道流动的速度，于是内浇道会将横浇道中的金属液“吸”进去，即“吸动作用”吸动作用区:吸动作用的范围 吸动作用区的危害：如果横浇道高度设计不合理将导致吸动作用区覆盖整个横浇道的高度，使上浮至横浇道顶部的夹渣被吸入型腔而形成夹渣。,一般要求：h横/h内5-6通常：横浇道做成高而窄，h横/W横=2：1内浇道做成宽而薄，W内/h内=4:1,吸动区范围大小与内浇道中的液流速度成正比例，还随内浇道断面的增大及内浇道、横浇道高度比值得增大而增大。,生产中常将横浇道做成高梯形，内浇道制成扁平梯形，内浇道置于横浇道之下，使横浇道高度为内浇道高度的56倍。,内浇道的吸动作用,为了使从直浇道急转弯进入横浇道的金属液的流动比较平稳，以及使渣来得及浮到横浇道顶部，直浇道中心到第一个内浇道的距离为L5h横，浇道末端要加长一段距离，以减少最后一个内浇道的吸动作用，甚至加上冒渣口，使聚集在加长段中的夹杂物不再随液流返回到横浇道的工作段中去。,横浇道设计横浇道长度设计,进入浇注系统的第一股铁水往往含有较多的夹渣，为防止夹渣返回型腔，横浇道末端应加长并采用特殊的结构.,横浇道结构设计横浇道末端设计,有正确的横浇道末端延长段，用来容纳最初浇注的低温、含气及渣污的金属液，防止其进入型腔；吸收液流动能，使金属流入型腔平稳。末端呈坡形可防止金属液流到末端时出现折返现象。为防止聚集在末端的渣滓回游，应在末端设置集渣包。,横浇道结构设计横浇道断面形状,横浇道的断面形状有梯形，圆形和圆顶梯形三种。梯形和圆顶形撇渣效果好，主要用于浇注灰铸铁和有色金属合金铸件 圆形断面的横浇道散热最少，但撇渣效果差，用于浇注铸钢件。,1、横浇道应成充满流态，即满足充满的条件 应注意，内浇道截面积比横浇道或直浇道大，横浇道不一定呈非充满流态。因为横浇道至型腔的一段有流动阻力，内浇道相对横浇道的位置对横浇道的充满条件也有影响。此外，一旦内浇道被型腔内的金属液所淹没，横浇道就被充满。2、流速应尽可能低 要在横浇道内捕获很小的渣团，需要很低的流速，很大的横浇道面积。实践中，常把横浇道扩大，做高，如S横/S内=2-4，但横浇道太大会浪费金属。,横浇道起挡渣作用的条件,3、液流的湍流搅拌作用要尽量小4、应使夹杂物有足够时间上浮到金属液顶面，横浇道的顶面应高出内浇道吸动区一定距离，末端应加长,2）有正确的横浇道末端延长段，末端呈坡形可防止金属液流到末端时出现折返现象。为防止聚集在末端的渣滓回游，应在末端设置集渣包。,横浇道起挡渣作用的条件,3、内浇道的位置关系要正确1）内浇道距离直浇道应足够远，使渣团有条件浮起到超过内浇道的吸动区。,3）封闭式浇注系统的横浇道应高而窄，一般取高度为宽度的2倍。内浇道宜扁而薄，以降低其吸动区。,对于封闭式浇注系统内浇道应在横浇道底部，内浇道和横浇道的底面最好在同一平面上，否则浇注之初内浇道不能很好地保持空位而过早地起作用。,4）、内浇道与横浇道的连接方式,错误 正确 正确,4）、内浇道与横浇道的连接方式,对于开放式浇注系统，内浇道开在横浇道顶部，内浇道的顶面不能和横浇道顶面在同一平面上，而要置于横浇道的顶上，以防止整个（或大部分）浇注期中，当横浇道还还未充满时杂质就进入内浇道而不滞留在横浇道顶部。,错误 正确,3、强化横浇道阻渣的措施,缓流式浇注系统,横浇道的拐弯增加了局部阻力，可使液流速度明显降低，有利于杂质上浮,3、强化横浇道阻渣的措施,阻流式浇注系统,横浇道断面突然扩大处会产生局部阻力，可使液流速度明显降低，有利于杂质上浮,设置筛网芯的浇注系统 金属液通过滤网时，由于孔眼的阻力及断面的扩大，液流速度骤减，并在网孔出口处出现涡流运动区，有利于渣滓上浮并粘附在滤网下面。滤网的作用：过滤，保证金属液在滤网以下充满。,设置集渣包的浇注系统集渣包：横浇道中局部加高的部位，因当金属液流经此处时，因断面扩大流速降低而在死角处产生涡流，使渣粒易于上浮并留存在该处。,五、内浇道中的流动,内浇道的功用：引导金属液进入型腔控制金属液流充型速度和方向，使之平稳充型调节铸型与铸件各部分的温度和凝固顺序浇注系统的金属液通过内浇道对铸件进行补缩内浇道比较短，本身不能挡渣，但是合理的结构尺寸与与横浇道的连接方式将有利于横浇道的挡渣。,1、浇口比的影响浇口比：直浇道、横浇道和内浇道截面积之比（即S直:S横:S内）以内浇道为阻流时，金属液流入型腔时喷射严重；以直浇道下端或附近的横浇道为阻流时，充型较平稳，S内/S阻比值越大则越平稳。轻合金铸件常用S内比S阻大得多的开放式浇注系统。,阻流截面-浇注系统中的最小截面。封闭式浇注系统，阻流截面在内浇道上；开放式浇注系统，阻流截面在直浇道下端或其它附近的横浇道上。,2、内浇道流量的不均匀性,同一横浇道上有多个等截面的内浇道时，各内浇道的流量不等，试验表明：一般条件下，远离直浇道的内浇道流量大，且先进入金属。近直浇道的流量小，且后进入金属。,内浇道流量的不均匀性U,qmax内浇道中的最大流量qmin内浇道中的最小流量Q内浇道中的总流量n 横浇道上连接的内浇道个数,U与浇口比、内浇道、横浇道的连接形式、整个浇注系统的结构等因素有关，各影响因素如下,在开放式浇注系统中，开放比越大，流量偏差越大，而且起决定因素的是横浇道与内浇道的断面,减小内浇道流量的不均匀性的方法A、缩小远离直浇道的内浇道的截面积。B、增大横浇道的截面积C、严格按A横/A内的比值，每流经一个内浇道，使横浇道断面 积按比值依次减小。D、设置直浇道窝。,内浇道流量分配不均匀常引起局部过热、氧化、吸气、卷气等缺陷。但是，对壁厚或重量不均匀的铸件，流量不均匀则更有利于平稳充型。,3、内浇道的基本设计原则,内浇道在铸件上的位置和数目应服从所选定的凝固顺序或补缩方法。对要求同时凝固的铸件，内浇道应开在铸件薄壁处，宜数量多，分散布置使金属液快速均匀地充满型腔，避免内浇道附近的砂型局部过热；对要求顺序凝固的铸件，内浇道应开在铸件厚壁处。如设有冒口，使内浇道通过冒口，让金属液先流经冒口再引入型腔，更能提高冒口的补缩效果；对结构复杂的铸件，采用顺序凝固和同时凝固相结合的原则安排内浇道。即对每一个补缩区依顺序凝固原则设置内浇道，而对整个铸件则按同时凝固原则采用多内浇道分散充型。这样，既可使铸件的各个厚大部位得到充分补缩而避免出现缩孔、缩松，又可将铸件的铸造应力和变形减小；,3、内浇道的基本设计原则,内浇道在铸件上的位置和数目应服从所选定的凝固顺序或补缩方法。当铸件壁厚相差悬殊，而又必须从薄壁处引入金属时，应同时采用冷铁加速厚壁处的冷却凝固，并加放冒口，浇注时采用点冒口措施，保证铸件的补缩效果；对采用实用冒口的铸件，遵守实用冒口或均衡凝固的原则来布置内浇道和冒口。,点冒口：钢水上升到冒口一定高度的时候，停止往水口里浇钢水，直接从冒口里浇满冒口，这样的作用是使冒口里的钢水温度高，有利于实现顺序凝固。,液流方向不要冲着细小砂芯、型壁、冷铁和芯撑，必要时采用切线引入。但应注意，切线引入会引起型内金属的回转运动，适用于外表面有粗糙度要求的圆形铸件。当筒形铸件内表面要求严格的条件下，应避免金属液回转，以免夹杂物聚集在铸件的内表面。必要时用顶雨淋或下雨淋式浇注系统。内浇道应尽量薄，薄的内浇道的好处是：降低内浇道的吸动区，有利于横浇道阻渣；降低初期进入渣的可能性；减轻清理工作量；内浇道薄于铸件的壁厚，在去除浇道时不易损害铸件；对铸铁件，薄的内浇道能充分利用铸件本身的石墨化膨胀获得紧实的铸件。,3、内浇道的基本设计原则,对薄壁铸件可用多内浇道的浇注系统实现补缩，这时内浇道尺寸应符合冒口颈的要求。内浇道避免开设在铸件品质要求很高的部位，以防止金相组织粗大。对要求耐压、防渗漏的管类件，内较浇通常开在法兰处，以防止管壁处出现缩松；如能使内浇道开设在品质要求较低的加工表面上，则有利于铸件的外观。,各个内浇道中的金属流向应力求一致。为了使金属液快速而平稳地充型，有利于排气和除渣，各个内浇道中的金属流向力求一致，防止金属液在型内碰撞，流向混乱而出现过度紊流。尽量在分型面上开设内浇道，使造型方便。对收缩大易于形成裂纹的合金铸件，内浇道的设置应尽量不阻碍铸件的收缩。,3、内浇道的基本设计原则,内浇道与横浇道的交界处角度不应小于90。交接角:横浇道中液流方向与内浇道中液流方向间的夹角。,4、内浇道与横浇道的连接方式,5、内浇道的个数和形状个数：除小件外，一般采用两个或两个以上的内浇口分散引入，以免过热，并使流量分配均匀。形状：一般采用扁梯形：吸动作用区小，易清除，无疏松；对高大而壁薄的铸件，采用窄的深梯形：能撇渣、充型快、氧化轻。,六、浇注系统的充满理论,砂型浇注系统的充满条件,推导 在横浇道任一截面r-r和内浇道入口处i-i截面用伯努力方程,为r-r至i-i截面间的流动阻力系数若横浇道充满，r-r截面最高点的压力应高于型壁界面的压力：,式中：,（1）,（2）,（3）,将（4）代入（3）,同理，内浇道最高点处的压力应等于型腔内气体压力，近似等于：,（4）,（5）,将（2）-（5）：,化简：,（6）,代入连续流动定律（为r-r截面上流体的截面缩小系数）并应用托利拆里方程（H为浇注系统总压头，内浇道的流量系数）得横浇道充满条件：,同理得直浇道的充满条件：传统理论：把液态金属视为理想液体，全部阻力系数等于零，流量系数为1。充满条件为S直S横S内实际情况：液态金属有粘度，流动阻力有较大的影响。S直：S横：S内=1:2.5:2.5时仍呈正压充满状态。,第二节 浇注系统的基本类型及选择,1、浇注系统的分类,浇注系统常用的分类：根据各组元断面比例关系的不同：封闭式、开放式按内浇道在铸件上的相对位置不同：顶注式、中间注入式、底注式、阶梯式,二、封闭、开放式浇注系统,封闭式浇注系统阻流在一个浇注系统中截面积最小的浇道S内 S横 S直，例如1:1.2:1.5 封闭式浇注系统可理解为正常浇注条件下，所有组元能被金属液充满的浇注系统，也称为充满式浇注系统。（因全部截面上的金属液压力均高于型壁气体压力，故是有压或正压系统）。优点：阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。缺点：进入型腔的金属液流速度高，易产生喷溅和冲砂，使金属氧化，使型内金属液发生扰动、涡流和不平静。应用：主要应用于不易氧化的各种铸铁件。对于容易氧化的轻合金铸件、采用漏包浇注的铸钢件和高大的铸铁件，均不宜使用。,开放式浇注系统 S内S横 S直；例如1.5:1.2:1在正常浇注条件下，金属液不能充满所有组元的浇注系统，又称为非充满式或非压力式浇注系统。在金属液流未能充满的部位存在着等大气压力的自由表面。完全开放式浇注系统在内浇道被淹没之前，各组元均呈非充满流态，几乎不能阻渣而且会带入大量气体。因此，使用转包浇注的铸铁件上不宜应用这种浇注系统。主要优点：进入型腔时金属液流速度小，充型平稳，冲刷力小，金属氧化轻。主要缺点：阻渣效果稍差，带入气体，金属消耗略多。,应用：轻合金铸件、球铁件等。漏包浇注的铸钢件也宜采用开放式浇注系统，但直浇道不能呈充满态，以防钢水外溢，造成事故。,3半封闭式浇注系统,这种浇注系统的特点是S横S直S内。即阻流截面是内浇道，横浇道截面积最大，直浇道一般是上大下小的锥形，浇注时，直浇道很快充满，而横浇道充满较晚，故可降低内浇道的流速，使浇注初期充型平稳，对铸型的冲击比封闭式的小；在横浇道充满后，因其中的金属液流速较慢，所以挡渣比开放式的好，但浇注初期在横浇道充满前，挡渣效果较差。适用于各类铸铁件，尤其球墨铸铁件及表面干型,生产上常常使用介于这两者之间的半封闭式和封闭开放式浇注系统；,4、封闭开放式式浇注系统,特点：控制流量的阻流断面位于直浇道下端，或在横浇道中，或者在集渣包出口处等，故浇注系统各组元的断面比例相应的存在以下关系,S杯S直S直S集渣包出口S阻S阻 S内 S横后,三、浇注系统按内浇道在铸件上的位置分类,（一）、顶注（上注）式浇注系统,以铸件浇注位置为基准，内浇道开设在铸件的顶部，称为顶注式浇注系统。即金属液从铸件顶部注入型腔,（一）、顶注式浇注系统,特点：以浇注位置为基准，内浇道设在铸件顶部。,优点,容易充满，可减少薄壁件浇不到、冷隔方面的缺陷,充型后上部温度高于底部，有利于铸件自下而上的顺序凝固和冒口的补缩,冒口尺寸小，节约金属,内浇道附近受热较轻,结构简单，易于清除,（一）、顶注式浇注系统,特点：以浇注位置为基准，内浇道设在铸件顶部。,缺点,易造成冲砂缺陷；,易产生砂孔、铁豆、气孔和氧化夹杂物缺陷；,大部分浇注时间，内浇道处于非充满状态；横浇道阻渣能力较差,金属液下落过程中接触空气，出现激溅、氧化、卷气，使充型不平稳；,根据铸件的结构特点，还可采用以下几种类型的顶注式浇注系统：,1简单式 适用于要求不高的简单小件。,2楔形浇道,金属液通过长条楔缝可迅速充满型腔,常用于锅、盆、罩、盖类薄壁器皿铸件,3压边浇道,浇道是一条窄而长的缝隙，与铸件顶部相连接，金属液经压边缝隙流入型腔,多用于壁较厚的中小铸铁件及非铁合金铸件。,4雨淋浇道,内浇道是由许多均匀分布的圆孔所组成，浇注时细流如雨淋,主要用于质量要求较高的大中型筒型铸件，如气缸套、卷扬机等,5搭边式,自上而下导入金属液，避免直接冲击铸型侧壁。适用于湿型铸造薄壁铸件。,（二）底注（下注）式浇注系统,内浇道开设在铸件底部，即金属液从铸件的底部注入型腔，称为底注式浇注系统,主要用于高度不大，结构不太复杂的铸件和易氧化的合金铸件，如铸钢、铝镁合金、铝青铜及黄铜等铸件,（二）底注式浇注系统,特点：以浇注位置为基准，内浇道设在铸件底部。,优点,内浇道基本上在充满状态下工作，充型平稳；,可避免金属发生激溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷；,无论浇口多大，横浇道基本处于充满状态，有利于阻渣；,型腔内的气体容易顺序排除。,缺点,充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩；,金属液面在上升中容易结皮，难于保证高大的薄壁铸件充满，易形成浇不足、冷隔等缺陷；,金属消耗较大。,内浇道附近容易过热，导致缩孔、缩松和结晶粗大等缺陷；,克服以上缺点的方法有：采用快浇和分散的多内浇道大的S内/S阻比值使用冷铁和安放冒口或用高温金属补浇冒口等措施,根据铸件结构特点，还可采用下列底注式浇注系统,1牛角浇道,牛角式内浇道多用于质量要求高的小型轮类铸件,2反雨淋浇道,它适用于易氧化的中小型圆套类铸件,（三）中间注入式浇注系统,从铸件某一高度面上开设内浇道。对内浇道以下的型腔部分为顶柱式；对内浇道以上的型腔部分相当于底注式。故它兼有顶注式和底注式浇注系统的优点。使之充型平稳，改善了补缩条件，又有利于排气。由于内浇道在分型面上开设，故极为方便，应用广泛。适于高度不大的中等壁厚的铸件。,（四）阶梯式浇注系统,特点：在铸件不同高度上开设多层内浇道。,在浇注之初金属液只从最底层内浇道流入型腔，待型腔内的液面上升到接近第二层内浇道时，才从第二层内浇道流入型腔。这样各层内浇道由下到上逐层接替地起作用，最上层内浇道通入冒口，可保证实现顺序凝固和冒口最后冷凝。,（四）阶梯式浇注系统,特点：在铸件不同高度上开设多层内浇道。,（四）阶梯式浇注系统,优点金属液首先由最底层内浇道充型，随着型内液面上升，自下而上顺序地流经各层内浇道，因而充型平稳，避免因压头过高或流股从高处落下冲击型底，造成严重的喷射和激溅，且型腔内气体容易排出；,充型后，上部金属液温度高于下部，有利于实现自下而上的顺序凝固和冒口的补缩，铸件组织致密；,易避免缩孔、缩松、冷隔及浇不足等缺陷；,利用多内浇道，内浇道分散，可减轻内浇道附近的局部过热现象。,（四）阶梯式浇注系统,缺点,造型复杂；,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温度分布。,分型面较多；,多用于高度较高、型腔较复杂、收缩率较大或品质要求较高的铸件。,（五）垂直缝隙式浇注系统,以片状内浇道与铸件的整个高度相连接的一种特殊浇注系统,主要用于重要的铝合金铸件,对于重、大型铸件，特别是重要铸件，采用一种形式的浇注系统往往不能满足要求，可根据铸件情况同时采用两种或更多形式的复合式浇注系统,第3节 计算阻流截面的水利学公式,100,1、奥赞(Osann)公式 阻流（最小）截面积的计算。阻流（最小）组元指浇注系统中最小截面积的浇道，一般为内浇道，即,hr金属液流经浇注系统时压头损失总和H0阻流以上金属液的总压头 Si 测定i时指定的某处截面积v 阻流处金属液的流速g 重力加速度 i 局部阻力系数 S阻 阻流截面积。,101,充填下半型时S阻的计算 充填下半型腔时，通过阻流截面的金属质量和浇注时间有如下关系,式中：m下 阻流以下铸件质量 金属液密度1 充填下半型时间 流量系数，它代表实际金属液的流量与理想流体流量之比值。,充填上半型时的计算充填上半型时，阻流处流速随充型压头而变化：最大流速最小流速,在上半型充填时间2内，存在着瞬间，对应压头为h平均时，阻流处流速为：,充填上半型时，通过阻流的金属质量和充填时间之间应有如下关系：,得到：奥赞公式将两个计算 的公式合并为一个通式，即奥赞公式：式中：m 流经阻流的金属总质量 充填型腔的总时间 充填全部型腔时，浇注系统阻流截面的流量系数Hp 充填型腔时的平均计算压头,平均计算压力头,式中：Hp 平均计算压头 Ho 阻流截面以上的金属压力头 P 阻流截面重心以上的型腔高度 C 铸件（型腔）的总高度注意 a 该公式适用于封闭式浇注系统 b 推导Ho时引入两个假定条件，与实际情况有差距。c 应用伯努力方程时，忽略了浇包嘴到浇口杯之间下落动能的影响。,二、浇注时间（速度）1、浇注速度浇注时间对铸件质量有重要影响，应考虑铸件结构、合金和铸型等方面选择浇注速度。快浇优点：金属温度和流动性降低幅度小；减小皮下气孔；对上表面热作用时间短，可减小夹砂结疤缺陷；有利于石墨铸铁充分利用石墨化膨胀，防止缩孔、缩松缺陷。缺点：对型壁冲击大，容易造成胀砂、冲砂、抬型等缺陷；浇注系统的重量稍大，工艺出品率低。,应用：薄壁（或上部有薄壁铸件）；具有大平面铸件；表皮易形成氧化膜的铸件；底注式浇注系统，顶 部有冒口；中大型灰铸铁、球墨铸铁件。,慢浇 优点：对型壁冲刷作用轻，可防止胀砂、抬型、冲砂等缺陷；有利于型（芯）内气体排出；对收缩率大的合金采用顶注法或内浇道通过冒口时，有利于减小冒口的尺寸,减少浇注系统金属消耗量 缺点：对上表面烘烤时间长，易产生夹砂类缺陷；金属液温度、流动性降低幅度浇大、易浇不足、冷隔；降低流水线生产率。应用：有高的砂胎或吊砂的湿型；型内砂芯多、砂芯大而砂芯小或排气困难；顶注法浇注体收缩大的合金铸件,2、合适的浇注时间浇注时间的确定主要考虑：壁厚、铸件重量、型砂种类、合金种类、注入方式等。,工艺因素：浇不足、冷隔；夹砂类缺陷；气体的溢出；金属液的氧化；型内金属液面的上升速度，计算公式：,式中：C 铸件（或某段）的高度 铸件（或某段）的浇注时间。,满足的条件：,浇注时间应满足：,三、确定浇注时间时的金属液上升速度因素,金属液上升速度的核算和确定,铸钢件：见表7-7，只核算最小上升速度。,铸铁件：见表7-6，只核算最小上升速度,表7-6,表7-7,式中：R型腔的水利学半径。Re型型腔内允许的金属液雷诺数，用实验法确定v合金液的运动粘度。,易氧化的轻合金铸件，限制最大上升速度，以免高度湍流造成大量的氧化物夹杂，最大上升速度,所确定的浇注时间，必须满足最大和最小上升速度要求，才可作为适用的浇注时间,4.流量系数的确定 浇注系统的流量系数是指阻流断面的流量系数。若阻流断面不设在内浇道，则内浇道的流量系数比浇注系统的流量系数值要小。流量系数与浇注系统各部分阻力及型腔内的流动阻力大小有关。流量系数与浇注系统的形状、尺寸、结构和铸型的性质及合金种类、流速等有关。流量系数的确定方法：重要铸件或大量生产的铸件实验测定一般铸件经验数据,影响流量系数值的因素及修正值,选择浇注系统类型确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引入方向决定直浇道的位置和高度（压力角）计算浇注时间并核算金属上升速度计算阻流截面积S阻确定浇口比并计算各组元截面积绘出浇注系统图形,浇注系统的计算步骤,第4节 铸铁件浇注系统设计与计算,浇注系统阻流截面的计算 1.阻流组元（或内浇道）截面积的计算,m 包括浇冒口在内的金属总重量(kg)，可以通过估算、计算、称重等方式获得，浇冒口的重量按铸件重量的比例求出，见表,表 浇冒口重量占铸件重量的比例,值得确定 铸钢件、铸铁件根据表7-8、7-10，考虑各种因素，可采用表7-10进行修订。,国内手册中提供的浇注时间计算公式为：1）对重量小于450公斤、壁厚2.5-15mm、形状复杂的薄壁铸铁件式中，-为浇注时间；m-为型内金属总重量，kg；S为系数，取决于铸件的壁厚,(2)浇注时间值的确定 影响浇注时间的因素有：合金的种类、浇注温度、浇注系统的类型、铸件结构和铸型的种类等,浇注时间实际是根据经验图表和经验公式来计算的,式中 t浇注时间（s）；GI 浇入型内的金属液总重量（kg）；铸件的平均壁厚（mm），对于圆形或正方形的铸 件，取其直径或边长的一半；k系数。对灰铸铁取2.0，需快浇时（如：铁液温度 低，含硫较高，含碳量3.3%，底注或有冷铁 等），可取1.7。对铸钢可取1.31.5。,2)对于重量小于1000公斤的大、中型铸铁件,表铸铁件k值的选择,表 型内铁液液面允许的最小上升速度,浇注时间确定以后，对于大平面或结构复杂的薄壳铸件，还应验算型内金属液液面平均上升速度，可按下式计算：,式中 C铸件最低点到最高点的距离，按浇注位置确定()；t计算的浇注时间(s)。,计算结果应大于表中数值，若太小则应调整浇注时间t，甚至修改工艺方案,型内金属液液面平均上升速度,如果低于允许的最小液面上升速度时，就要强行缩短浇注时间或调整铸件的浇注位置，使上升速度达到或高于最小液面上升速度值,对于封闭式浇注系统，在不同注入位置时公式有以下形式：,顶注式 P0，则,底注式 PC，则,中间注入式 则，,（3）平均静压头HP的确定,式中 Hm 最小剩余压力头 L1 自直浇道中心线到铸件最高、最远点的水平距离 a保险压力角，直浇道的剩余压力角应大于表7-14,（4）最小剩余压头 Hm的确定 浇注铸型的最小剩余压头 Hm保证铸型充满，获得结构完整的铸件，铸件最高点到浇口杯液面高度必须有一个最小剩余压头。计算公式,表7-14,2.浇注系统其他各组元的截面积 求得阻流组元的截面积后，根据合金和铸件的特点，参照表选定浇注系统各组元比例关系的类型，确定其比例值，即可得出其他组元的截面积，然后再按选定的形状确定尺寸。,浇注系统各组元比例关系,一般内浇道（阻流组元）的最小截面积为0.40.5cm,直浇道的直径一般在15100mm范围内,砂型铸造中,树脂砂型浇注系统总截面积比粘土砂型大50左右,当采用封闭式浇注系统时，浇道截面比例可取S内：S横：S直1:1.25:1.25,直浇道后如设过滤网，则网孔截面积S滤的比值取0.9,二、用浇注比速计算浇注系统的尺寸,对封闭式浇注系统，浇注比速单位时间内通过单位阻流断面积的金属液，其阻流断面积计算式为,式中 t浇注时间（s）；m浇经阻流断面的金属液总重量（kg）；L金属流动系数。对灰铸铁取1.0 K浇注比速，主要取决于铸件的相对密度Kv，且 Kv=m/V，V铸件轮廓体积，参见图7-41.,K与壁厚的关系,s与壁厚的关系,浇注时间用经验公式确定,m浇经阻流断面的金属液总重量（kg）；S系数，取决于壁厚,三、用图表法确定浇注系统尺寸,生产中采用图表法确定浇注系统