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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vM点的切线速度rM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：H≥5d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。26HhhSSziiz2)(1直内2）真空吸气理论假设条件：①浇注系统是由不透气材料制成；②流体呈稳定流动，且为不可压缩流体；③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）/γ0，P2P1，P2=Pa，PaP1。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r≥d／4(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①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②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③减小直-横浇道拐弯处的局部阻力系数和水力压头损失。④缩短直-横浇道拐弯处的湍流区。⑤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；η-金属液粘度，0.024dyne.s/cm2；ρ液，ρ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=CSρV2/2式中：F-渣团上浮阻力ρ-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ρ-金属液密度ρ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。02(342023vRCgR）渣RCgv