浇注系统设计

第三章浇注系统设计3.1概述浇注系统的主要功能•使液态合金平稳充满砂型；•阻挡夹杂物进入型腔，以免形成渣孔；•调节铸型与铸件各部分的温度分布以控制铸件的凝固顺序；•起一定的补缩作用，在内浇道凝固前补给部分液态收缩；•让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；•充型流股不要正对冷铁和芯撑；•合理的浇注系统应能节约金属，有利于减少冒口的体积。•结构简单紧凑，利于提高铸型面积的利用率，便于造型和从铸件上清除。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。合金液在砂型中流动的水力学特点1.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；2.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；3.浇注过程是不稳定流动过程；4.合金液在浇注系统中一般呈紊流状态；5.多相流动。尽管如此，运用水力模似还是可以提供一些有益的情况。3.2浇注系统类型选择3.2.1浇注系统的组元•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。①浇口杯液态金属在浇口杯中的流动•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。图浇口杯中涡流运动vrrv常数液流至涡流中心的距离；液流切线速度。•浇口杯中液体要有必要的深度，并在整个浇注过程中连续供给金属液，保持液面不变，浇包嘴尽可能接近和迅速浇满浇口杯。图浇注状态对液流运动的影响(a)合理(b)、(c)不合理•浇口杯还应有合理的形状和结构，以防止产生水平涡流，提高浇口杯的挡渣能力。•金属液沿斜壁流下，其流速的减低和流向的改变，形成垂直方向的涡流，有利于杂质的上浮。图浇口杯的挡渣作用•漏斗形浇口杯：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；主要用在小型铸铁件及铸钢件，广泛用于机器造型。漏斗口的直径应该比直浇道大一倍以上。为了挡渣，可用带滤网的漏斗形浇口杯。浇口杯的结构分析•挡渣作用明显，但是制作程序复杂，消耗的金属较多，主要用于中大型铸铁件。浇口盆的深度应该大于直浇道上端直径的5倍。图池形浇口杯•在浇口杯底部加设凹坑有利于形成垂直涡流及增强挡渣能力，可有效的吸收金属液的冲击，并在浇注时阻止缓慢浇入的金属液进入直浇道。待包嘴对准，才快速浇注和充满直浇道，使渣子进入的最少。•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。图平底浇口杯中浇注方向对液流流向的影响a)侧向浇注b)纵向顺浇c)纵向逆浇•纵向逆浇时排渣、排气效果最好；纵向顺浇时效果较差；侧向浇注虽然金属液从浇口杯一侧越过底坎流向直浇道时会出现水平涡流，但涡流的旋转速度也因底坎的限制而小得多。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•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去范围内，且能急剧改变流股方向，形成使轻质点杂质上浮的流向。图带隔板和底坎的浇口杯a)合理b)不合理拔塞浇口杯a)熔化铁隔片浇口杯b)扒塞浇口杯c)浮动闸门浇口杯•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。②直浇道•直浇道多为圆形或方形断面的锥形管道，作用是从浇口杯向下引导金属液进入浇注系统的其他组元或直接导入型腔，并提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服流动过程中的各种阻力，充满型腔的各个部分。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。图液流在有机玻璃模型的直浇道内的流动情况a)圆柱形直浇道，入口为尖角，呈不充满的状态b)圆柱形直浇道，入口为圆角，充满且吸气c)上大下小的圆锥形直浇道，入口为尖角，呈不充满状态d)上大下小的圆锥形直浇道，入口为圆角，充满且三排小孔有液体流出222112112122121212,1-12-21-12-2,1-12-21-1appvvZhgpppphvvZ断面，的压力，；断面和间的水力压头损失；断面，上的液流速度；液态金属密度；为断面位能压头。直浇道的吸气问题•由伯诺里方程可得：图不透气的模型直浇道中金属液流动状况及压力分布•对于直浇道不透气的条件下导出的等断面直浇道内液流呈充满状态流动时，越靠上部真空度越大，吸气越严重。21112122121,1-12-21-12-21-1appZhpppphZ断面，的压力，；断面和间的水力压头损失；为断面位能压头。•根据流体的连续性方程，金属液稳定流动时，通过各个断面的流量相等。由于断面相等，因此，流速相等。有：图不透气的模型直浇道中金属液流动状况及压力分布•实际砂型是均匀的透气体，砂型表层的气体压力均匀的作用在流股表面，使之呈等压(大气压力)状态；•液态金属在等断面直浇道内自由下落过程中做等加速运动，流股必定向内收缩而离开直浇道壁；•砂型和液态金属不润湿，透气的砂型壁使流股失去附壁效应，以及热作用型砂中气体压力略有升高，这些均促成在直浇道中出现不充满的状态。•金属流股断面上的压力应该大于或等于砂型表面层气体的压力。•因此，流股内部和砂型表层气体压力之间便没有压力差存在，气体也不可能被“吸入”流股。液态金属在直浇道中呈非充满式流动时是会带入气体的，这是因为液流向下做加速运动时，其表面与气体发生摩擦，带动气体随之向下运动，并冲入直浇道底部的金属液之内而卷入型腔。故在直浇道内气体是被液流带走，而不是被吸入。aPPPPa液流内部压力；浇注系统型壁表层的气体压力，接近于大气压力。•入口处的连接。采用圆角，其半径为直浇道上端直径的0.25倍。这样可以减少气体的卷入和冲砂的危险。直浇道的结构设计•直浇道的形状。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。•特例：机器造型机上使用直浇道多是上小下大的倒锥形，这时要靠增加直浇道的出口阻力，如在直浇道中增加滤网，阻流片使充满；直浇道的结构设计•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。•在机器造型机上使用的直浇道多被固定在模板上，其形状必须是圆柱形或上小下大的倒锥形，这时要靠增加直浇道出口以后的阻力，如在横浇道上加设滤网、阻流片等。图蛇形直浇道曲折程度对直浇道中压力分布的影响(非透气壁)a)直浇道出现负压b)直浇道呈正压分布•直浇道与横浇道的连接。要增设直浇道窝的结构防止冲砂和卷气，使金属液的紊乱程度降低。窝座的直径一般为横浇道宽的2倍左右，最好接近横浇道的高度，直浇道与横浇道的连接也应做成圆角。直浇道窝•直浇道窝的作用：减小金属液的紊流和对铸型的冲蚀作用，减小局部阻力和压头损失，有利于渣、气与金属液分离并上浮。•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。③横浇道•横浇道用以连接直浇道与内浇道，并将金属平稳而均匀的分配给各个内浇道；•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。横浇道中液流分配•金属液从直浇道进入横浇道初期，他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。图液流分配比例1-直浇道2-横浇道3-内浇道横浇道的挡渣原理•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5~6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L≥5h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，及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。横浇道断面形状•内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。横浇道具有撇渣作用的条件：•横浇道必须呈充满状态；•液流的流动速度低于渣粒的悬浮速度（渣粒能在横浇道中浮起）；•液流的紊流搅拌作用要尽量小；•应使夹杂物有足够的时间上浮至顶面，横浇道的顶面应该高出内浇道区一定距离，末端应加长；•内浇道和横浇道应有正确的相对位置。增强横浇道挡渣能力的措施•缓流式浇注系统1-直浇道2-横浇道3-内浇道•阻流式浇注系统a)垂直式b)水平式•带滤网式浇注系统1-滤渣网2-直浇道3-横浇道4-内浇道•集渣包式④内浇道•内浇道的作用是引导金属液进入型腔。•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。•内浇道可以调节铸型与铸件各部分的温差和凝固顺序；分配金属液；控制金属液流的充型速度与方向，使之平稳充型。内浇道对凝固顺序的影响及其位置选择•同时凝固能使铸件中内应力最小，因而铸件变形量也小，但不能防止缩孔、缩松，故主要适用于液态和凝固收缩不大的合金(灰铸铁)及壁厚均匀的其他合金的薄壁铸件。•顺序凝固时内应力大，变形也大，易造成裂纹缺陷。但收缩大的合金如铸钢、可锻铸铁及大多数有色金属铸件，防止产生缩孔和缩松常是工艺上首要考虑的问题，故需采用顺序凝固的原则，将缩松、缩孔集中并移入冒口。•该图表示一铸钢件高900mm，用砂型从铸件不同高度位置浇注时其纵向温度分布的情况。图内浇道位置对铸件纵向温度分布的影响1-顶注2-阶梯浇注3-底注快浇4-底注慢浇内浇道在铸件上开设位置的选择•对壁厚均匀的铸件，应当采用同时凝固的方式，可选用多个内浇口分散引入金属液。壁厚不均匀的铸件，可从薄壁处引入，这样可以平衡铸型各部分的温差，使铸件大体在相同时间凝固；•对需要采用冒口补缩的铸件，应获得顺序凝固的条件，从厚壁处引入金属液，形成从薄壁到厚壁最后到冒口的先后凝固顺序；•对于结构复杂的铸件，往往采用同时凝固和顺序凝固相结合的解决方法。即对每一个补缩区按顺序凝固的需要安放内浇道，但对整个铸件，则需要按照同时凝固的方式采用多个内浇道分散充型；•在铸件壁厚相差悬而又必须从薄壁处导入金属时，则应同时使用冷铁使厚壁处先凝固及加大冒口等工艺措施；•内浇道应使液流顺壁流入，不冲刷型壁，不冲击型芯，且不阻碍收缩；•内浇道应该避开铸件的重要加工面部分，防止出现晶粒粗大，降低耐磨性等；•内浇道的位置应使造