铸造工艺学-冒口设计

铸造工艺学冒口设计学院机械系主讲人：柴知章2第8章冒口系统设计合金从液态转变为固态的过程称为凝固，铸件的凝固规律是铸造工艺的基本理论。研究凝固的控制，对防止铸造缺陷，改善铸件组织及力学性能，获得优质健全铸件都有重要意义。ab1铸件的凝固方式①逐层凝固②糊状凝固③中间凝固2影响铸件凝固方式的主要因素（1）合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。固相线液相线液c表层中心成分温度表层中心液固表层中心S温度液相线固凝固区铸件的凝固2）铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。表层中心S温度成分温度S1T1T21收缩的概念T浇T液T固T室合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T浇—T液铸件的收缩体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。%100铸件铸件铸型VVVV%100铸件铸件铸型LLLL体收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。（3）固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。T固—T室（2）凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。T液—T固2缩孔与缩松液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成冒口—储存补缩用金属液的空腔。顺序凝固—铸件按照一定的次序逐渐凝固。暗冒口冷铁热节2)缩孔和缩松的防止防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。3寻找热节的方法等温线法内切圆法冷铁同时凝固—整个铸件几乎同时凝固。冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在金属冷却和凝固过程中，补给金属液，从而防止缩孔、缩松的形成，同时还有集渣和排气的作用。习惯上，把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。8.1冒口的种类及补缩原理顶冒口依位置分侧(边)冒口普通冒口明冒口依顶部覆盖暗冒口通用冒口大气压力冒口依加压方式压缩空气发气冒口保温冒口发热冒口特种冒口依加热方式加氧冒口冒口电弧、煤气加热冒口易割冒口直接实用冒口（浇注系统当冒口）铸铁件实用冒口（均衡凝固）控制压力冒口冒口无补缩1按工艺冒口分为108.1.1冒口的种类和形状2按形状冒口分为圆柱形、球顶圆柱形、长（腰）圆柱形、球形、扁球形等。11121）冒口的凝固时间必须大于铸件被补缩部分的凝固时间。2）冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩。3）在铸件凝固时冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩通道。4）为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷能力强的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。8.1.2冒口的补缩原理1冒口的补缩原理2冒口位置的选择原则①在热节的上方或侧旁；②尽量在铸件最高、最厚部位，低处热结设补贴或冷铁；③不应设在铸件最重要、受力大的部位；④不要选在铸造应力集中处，应减轻对铸件的收缩阻碍，避免裂纹；⑤尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件；⑥冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，外观好；⑦不同高度的冒口，用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。1314153冒口有效补缩距离的确定16有效补缩距离：冒口作用区与末端区长度之和。是确定冒口数目的依据。1）铸钢件冒口的补缩距离碳钢件如下图：冒口区和末端区长度都随铸件厚度增大而增加，且随截面的宽厚比减小而减小。17总结：①薄壁件比厚件更难以消除轴线缩松；②杆件比板件补缩难度更大；③阶梯形铸钢件补缩距离比板件大；④垂直补缩距离至少等于水平补缩距离。182）铸铁件通用冒口的补缩距离灰铁件如下图：共晶度低，结晶温度范围宽，共晶前析出奥氏体阻碍补缩，故补缩距离短。球墨铸铁：糊状凝固，只有湿型和壳型铸造厚大铸件，铸型刚度较差时才用通用冒口补缩。见表。可锻铸铁：补缩距离为4-4.5T。3）有色合金的冒口补缩距离铜合金见表。锡青铜、磷青铜：糊状凝固，有效补缩距离短，易出现分散缩松。无锡青铜和黄铜：凝固范围窄，补缩距离大。黄铜5-9T。铝、锰青铜5-8T。共晶型铝合金：4.5T。非共晶型的铝合金：2T。4）外冷铁对补缩距离的影响在两个冒口间放冷铁，形成两个末端区，显著增加有效补缩距离。端部放冷铁延长末端区。实现冒口补缩的基本条件之一：铸件凝固时始终保持向着冒口的补缩通道扩张角。壁厚均匀的板形件往往难以达到这个要求。补贴：在靠近冒口的铸件壁上补加的倾斜的金属块。补贴可从结构上造成向着冒口的补缩通道扩张角，有效延长补缩距离。228.1.3补贴的应用补贴种类：金属补贴加热（耐火隔片）补贴发热（保温）补贴补贴的位置：水平补贴：最大长度为冒口模数的4.7倍，其它尺寸如图。垂直补贴：试验条件和关系曲线如图，生产条件变化时补贴厚度乘以补偿系数。2324局部热节的补贴尺寸：采用A·Heuvers氏滚圆法。重要部位的热节可用扩大滚圆法。25•8.1.4选择冒口位置的原则••a在热结的上方或侧旁•b尽量在铸件最高、最厚部位。低处热结设补贴或冷铁。•c不应设在铸件最重要、受力大的部位。•d不要选在铸造应力集中处，应减轻对铸件的收缩阻碍，避免裂纹。•e尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件•f冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，外观好。•g不同高度的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。2627冒口的凝固时间应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间。冒口与被补缩部位间应能形成补缩通道的扩张角。实验表明，薄壁件凝固时间与壁厚的平方成正比，即遵循Chvorinov公式（τ=Kδ2）。冒口的凝固时间和铸件的凝固时间，分别可写成如下形式。2822()()CccMMrrKKr8.2铸钢件冒口的设计与计算8.2.1什么是模数式中Mr、Mc分别为冒口模数和铸件模数;Kr、Kc分别为冒口、铸件的凝固系数，一般Kr=Kc。因此，可以用模数来表示铸件凝固的先后。模数：又称为铸件折算厚度.M=V/A=体积/散热面积291简单几何体模数的计算模数的计算302相交节点的模数计算a）测量法测量出热节中心处的凝固时间和平壁中心处的凝固时间，用下式计算2jTMTj式中，－－平板壁厚；－－热节中心处凝固时间；－－平壁中心处凝固时间。b）一倍厚度法以相交的地方为基准，分别向外移动一倍的板宽的长度，得图中阴影部分；然后用阴影部分的模数，作为热节的模数。32c）热节圆当量法33对于普通冒口，由于Kr=Kc,Mr=f*Mcf－冒口安全系数，又称冒口扩大系数。碳钢、低合金钢铸件，冒口r、冒口颈n、铸件c模数间的关系如下。（通常用下面的关系来设计冒口和冒口颈尺寸）34::1:1.1:1.2cnrMMM侧冒口，::1:(11.03):1.2cnrMMM内浇道通过冒口时，(1.21)rCMM顶冒口，用模数法设计冒口1计算冒口的模数，设计冒口的形状和尺寸式中ε金属从浇注完到凝固完毕的体收缩率，η冒口的补缩效率。η=（补缩体积/冒口体积）。通常用上式来校核冒口的尺寸够不够。rercVVVV)(2检验冒口提供足够的金属液够不够36ε、η对冒口体积的影响ε越大，所需的冒口体积越大；η越大，所需的冒口体积越小。冒口除了要求体积够大，能够提供所需的金属液和后凝固的要求外，还需要有冒口到补缩处的通畅的补缩通道。铸钢齿轮如图8-9,材料为ZG310-570,收缩率为5%.38(1)轮缘冒口计算把轮缘看作长方形断面的杆,当不采用冷铁时,大致需要设置三个冒口.冒口之间设置冷铁时,可以只设置两个冒口.由图看到,补缩节点的热节圆直径dy为56mm.考虑补贴尺寸及尖砂对散热的影响,将热节圆直径dy为56mmˣ1.1=62mm,于是Mc=dyˣ10.6/2(dy+10.6)=6.2ˣ10.6/2(6.2+10.6)=1.96cm为了保证冒口比铸件晚凝固,取Mr=1.2Mc=2.35cm.当收缩率为5%Mr=2.42cm,每个冒口能补缩最大铸件体积为4.8L(质量37kg)时,冒口尺寸a=100mm,b=200mm,h=150mm(h=1.5a).模数法计算举例(2)轮毂冒口计算把轮毂看作长方形断面的杆,用类似的方法计算.该补缩节点的热节圆直径为50mm.于是50mmˣ1.1=55mm,计算得,Mc=5.5ˣ12.7/2ˣ(5.5+12.7)=1.92cmMr=1.2Mc=2.30cm查标准圆柱形冒口表,当Mr=2.38cm收缩率5%每个冒口能补缩最大铸件体积为4.2L(质量32kg)时,冒口尺寸Φ120mmˣ180mm（h=1.5d）。可见设置一个冒口已足够。39如果考虑砂芯的影响，按表8-3k=1.5，则50ˣ1.5=75mm，计算得Mc=7.5ˣ12.7/2ˣ（7.5+12.7）=2.36Mr=1.2ˣMc=2.83cm查标准圆柱形冒口表,当Mr=2.85cm收缩率5%每个冒口能补缩最大铸件体积为7L(质量54kg)时,冒口尺寸Φ150mmˣ225mm（h=1.5d）。这个冒口可能偏大，要通过试浇来选定。408。2．2三次方程法假设①铸件凝固层增长速度与冒口凝固层增长速度相等；②假设冒口内供补缩用的金属液体积为直径d0的球。由于铸件中最大凝固层厚度为壁厚T的一半，因此冒口直径Dr与冒口中缩孔球直径关系为：d0=Dr-T。缩孔球的体积应该大于铸件和冒口本身体收缩的容积。418.2.3补缩液量法求出需要补缩的体积V补，再折合成缩孔球的直径d0，用公式Dr=d0+T求出冒口直径，冒口高度Hr一般取Hr=(1.15-1.8)Drdo=（6εVc/π）¹³428.2.4比例法现以常见轮形铸钢件为例,介绍比例法确定冒口尺寸的方法\步骤图8-11(1)热节圆直径dy的确定量出热节圆直径dy(2)按比例确定轮缘冒口尺寸1)冒口补贴按下列经验比例关系确定:d1=(1.3-1.5)dy;R1=R件+dy+(1-3)mm;R2=(0.5-1)dy;δ=5-15mm2)冒口尺寸用下述比例关系计算:暗冒口宽:B=(2.2-2.5)dy明冒口宽:B=(1.8-2.0)dy冒口长:A=(1.5-1.8)B3）计算冒口补缩距离，L=4dy。当两冒口距离超过此值时，应放置冷铁或设水平补贴。43（3)轮毂冒口尺寸1）轮毂补贴按下列关系确定D1=（1.1-1.3）dy2）当轮毂较小时用一个冒口，冒口尺寸为：冒口直径：D=Φ2-（15-20）mm，Φ2是轮毂直径冒口高度：H=（2-2.5）d1+rr的值待d1确定后按图作出。当轮毂较大时用两个冒口和多个，冒口尺寸按轮缘冒口的确定方法计算。8.2.5铸件工艺出品率100%++铸件质量工艺出品率＝铸件质量冐口质量浇注系统质量把铸件划分为几个补缩区，计算各区的铸件模数；按比例计算冒口及冒口颈的模数；确定冒口的形状及尺寸；检查顺序凝固条件（补缩距离是否足够、补缩通道是否畅通）；校核冒口的补缩能力。458.2.6通用冒口设计步骤典型铸钢件冒口设计实例图8-12，质量为370kg，采用圆柱形明冒口，ε=5%时的最大补缩量m补为548kg，冒口区长度L1为250mm，末端区的长度L3为350mm，冒口高度为长度的1.5倍，H冒=1.5D冒。试计算冒口数量和尺寸。解：已知m件=370kg，H冒=1.5D冒，L1=250mm，L3=350mmε=5%m补=548kg1）计算模数M件铸件体积46V=[π（63²-33²）ˣ43/（4ˣ2）]=48607.2cm²铸件的表面积=两个平面+两个侧面+上下端面A=[(63-33)ˣ43+π(63+33)ˣ43/2+π（63²-33²）]/4=10031.76M件=V/A=48607.2/10031.76=4.85≈5cm（2）计算冒口模数M冒≥1.2M件M冒=1.2M件=1.2ˣ5=6cm(3)确定ε=5%（4）确定冒口尺寸，H冒=1.5D冒，H冒=V冒/A冒=（πD²ˣH/4）/（πD²ˣ2/4+πDˣH）=6cm，所以D=32cm，H=48cm。（5）据L冒校核冒口数目半圆周长47L=πˣ63/2=98