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1、第第7章章 浇注系统设计浇注系统设计 浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内绕道等单元组成，见图7-1。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔，对保证铸件质量有很重要的作用。除导入液态合金这一基本作用外，正确的浇注系统还应具有：1）使液态合金平稳充满型腔，不冲击型壁和砂芯，不产飞溅和涡流，不卷入气体，并顺利地让型腔内的空气和其他气体排出型外，以防止金属过度氧化及产生砂眼、铁豆、气孔等缺陷。2）阻挡夹杂物进入型腔，以免在铸件上形成渣孔。3）调节砂型及铸件上各部分温差，控制铸件的凝固顺序，不阻碍铸件的收缩，减少铸件变形和开裂等缺陷。4）有一定
2、的补缩作用，一般是在内浇道凝固前补给部分液态收缩。5）让液态合金以最短的距离，最合宜的时间充满型腔，并有合适的型内液面上升速度，得到轮廓完整清晰的铸件，见图7-2。6）充型液流不要正对冷铁和芯撑，防止降低外冷铁的激冷效果及表面熔化，不使芯撑过早软化和熔化，造成铸件壁厚变化。7）在保证铸件质量的前提下，浇注系统要有利于减小冒口体积，结构要简单，在砂型中占据的面积和体积要小，以方便工人操作、清除和浇注系统模样的制造，节约金属液和型砂的消耗量，提高砂型有效面积的利用。7.1.1 砂型流动的水力学特点砂型流动的水力学特点液态金属在砂型中流动时呈现出如下的水力学特性：（1）粘性流体流动 （2）不稳定流动
3、 （3）度孔管中流动 （4）紊流流动 （5）多相流动第一节第一节 液态金属在浇注系统中的流动液态金属在浇注系统中的流动7.1.2 浇口杯中的流动浇口杯中的流动 浇口杯的作用是承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注，减轻液流对型腔的冲击；分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔，增加充型压力头。只有浇口杯的结构正确，配合恰当的浇注操作，才能实现上述功能。浇口杯按结构形状可分为漏斗形和池形两大类(图7-3)。浇口杯内出现水平旋涡会带入渣滓和气体因而应注意防止。水平涡流产生的原因是由于浇口杯中的金属从各个方向流入直浇道时，流量的分布不均衡，不断地变化，造成流速方向的偏斜(如图7-4所示)。在忽略
4、内摩擦力(金属粘度的影响)的条件下，金属液可近似地看成理想液体，浇口杯中的涡流运动根据动量炬守衡定律，应满足下式关系：Mr常量 浇口杯中金属液流的水平分速度愈大，愈易形成水平涡流。由图7-5可知，水平分速的大小与浇口杯内液面的高度及浇包嘴距浇口杯的高度有关。当液面足够高而浇包位置又低时（图7-5a），流速及水平分速都较小，从各个方向进入直浇道的金属液比较均匀，不会产生旋转速度很快的水平涡流；如浇包位置不变，但浇口杯中液面较低时（图7-5b)，水平分速增大，或浇口杯中液面较高，但浇包位置提高时（图7-5c)，液流以较高的速度穿入液面，会在浇口杯深处产生水平分速度，也可能形成水平涡流及空穴现象。为
5、了减轻和消除水平旋涡，使合金液流动平稳和防止最初浇入的合金液还来不及使熔渣浮起就进入直绕道，对于重要的中、大型铸件，常用带浇口塞的浇口杯(图7-6)。7.1.2 直流道中的流动直流道中的流动 直浇道多为圆形或方形断面的锥形管道，其功用是从浇口杯引导金属液向下进入横浇道、内浇道或直接导入型腔。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，充满型腔的各个部位。1.液态金属在直浇道中的流动特点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。当气体被卷入型腔内又不能顺利逸出时，就会在铸件中形成气孔。了解带气的原因并采取防止措施，是保证铸件质量的重要
6、一环。图7-7是用有机玻璃和玻璃管制成的浇口杯和直浇道两组元模型，用水作流动介质，浇注试验时观察其流动状态。试验结果表明：1）直浇道入口处的形状影响液流分布。2）直浇道形状影响液流的内部压力。3）当直浇道内未被液体充满时，流股表面为一自上而下渐缩形的等压面，压力等于大气压力。2.直浇道的吸气问题直浇道的吸气问题 在只有浇口杯与直浇道(等断面)两组元最简单的浇注系统模型中，当金属液充满时的流动状态(如图7-8所示情况)可用流体的伯努里方程进行分析。3.3.直浇道窝直浇道窝 直浇道与横浇道的连接，因液流从直浇道转入横浇道时方向急剧改变，出现极度的紊流和搅动，如果用图7-9所示的直浇道底部伸到横浇道
7、内部的连接方式，就容易引起冲砂和卷入气体，因此经常在直浇道底部设一带凹坑的窝座。直浇道窝常做成半球形，圆锥台等形状，常见形状如图7-10。直浇道窝的作用：（1）缓冲作用（2）缩短直-横浇道拐弯处的紊流区（3）改善内交道的流量分布（4）减小直-横浇道拐弯处的局部阻力系数和水力压头损失。（5）浮出金属液中的气泡 7.1.47.1.4液态金属在横浇道中的流动液态金属在横浇道中的流动 水平的横浇道用以连接直浇道和内浇道，并将金属液平稳而均匀地分配给各个内浇道，其主要作用是捕集、保留由浇包经直浇道流入的夹杂物，故又称“捕渣器”或撇渣道，它是浇注系统中最后一道挡渣关口。为达到上述目的，要求横浇道能平稳、缓
8、慢地输送金属液，而低速流动又可减少充填型腔时的冲击，利于渣粒在横浇道中上浮并滞留在其顶部而不进入型腔。1.1.横绕道中的液流分配横绕道中的液流分配 金属液从直浇道进入横浇道的初期，它以较大速度沿长度方向向前流动，等到达横浇道末端冲击该处型壁后，金属液的动能转变为位能，横浇道末端附近液面升高，形成全属浪，并开始返回移动，使横浇道内液面向直浇道方向逐渐上升，直到全部充满。如在等断面横浇道上分布几个等断面的内绕道，在横浇道充满之前，由于运动液体的惯性，驱使金属液向前流动，从横浇道两侧分叉出去的内浇道仍保持空位。横浇道充满之后，进入不同位置内浇道金属的量取决于内浇道附近横浇道中金属液压力的大小、横浇道
9、长度及内浇道的位置等因素。当金属液柱高而横浇道较短时，大部分金属液越过离直浇道较近的内浇道而进入最远的内浇道中(图7-12)。2.2.横浇道的档渣作用横浇道的档渣作用 为了防止由夹渣引起的铸件缺陷必须保持浇包的清洁，去除型内杂物，妥善地挡渣，还应在整个浇注过程中保持浇口杯中的液面高度不变，并让直浇道尽快充满。大多数情况下夹杂物比金属液轻，混在液流中的杂质在水平横浇道中流动时其速度可分解为：液流速度l和杂质的漂浮速度2，杂质以两者的合成速度运动并浮升到液面上。从图7-13可知，当金属液的流速1较低时，杂质上浮到液面上所需的流程L也较短（见图7-13a)；当1较大而其他条件相同时（见图7-13b)
10、，夹杂物上浮到金属液面所需的流程则较长。在横浇道中向前流动的金属液，在内浇道附近除有继续向前流动的速度外，还有一个向内浇道流动的速度，于是内绕道会将横绕道中的金属液“吸”进去，这种现象称为“吸动作用”(图7-14)。吸动作用区的范围通常都大于内浇道的断面积，杂质流经这个区域时，就有被吸入内浇道而进入型腔的可能。金属液从直浇道流入横浇道时因有急拐弯，需要在横浇道中流经一段距离才能比较平稳，而且杂质上浮到横浇道顶部也需要足够的距离，故应使直浇道中心到第一个内浇道的距离L5h横(图7-15)。常用横浇道的断面形状如图7-16所示，有梯形、圆顶梯形及圆形三种。综上所述，横浇道起挡渣作用的条件是：1）横
11、浇道必须呈充满状态。2）液流的流动速度应低于渣粒的悬浮速度。3）液流的紊流搅拌作用要尽量小。4）应使夹杂物有足够的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；5）内浇道和横浇道应有正确的相对位置。3.3.增强横浇道挡渣能力的措施增强横浇道挡渣能力的措施 提高横浇道挡渣能力的主要途径是改变横浇道的结构，以增加流程中的阻力，减慢金属液的流速，减少紊流搅拌作用。常见的方法有以下几种：（1）缓流式浇注系统（2）阻流式浇注系统（3）带滤网的浇注系统（4）集渣包式浇注系统 图7-17所示缓流式浇注系统就是这一原型的具体运用。它利用液态金属在横浇道中转弯(横浇道是曲折的，二段在
12、上箱，一段在下箱)，改变液流方向，以增大局部阻力，降低流动速度。图7-18所示的阻流式浇注系统，不论是垂直式还是水平式，都在靠近直浇道的横浇道段上，有一节断面狭小的阻流部分，液流通过阻流断面之后进入断面突然扩大部分，流股也突然扩大，但流量并未改变，因此流速减小，有利于杂质上浮。图7-19是带滤网的浇注系统的一种形式。全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，有利于渣子上浮并粘附在滤网下面。所以滤网的作用原理并不仅仅是“过滤”。滤网下面必须保证被金属液充满，网孔应是上小下大的锥孔。滤网有方形和圆形两种(图7-20)，可放在浇口杯中、直浇道下端或横浇道
13、内。7.1.57.1.5金属液在内浇道中的流动金属液在内浇道中的流动 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，但合理的结构尺寸以及与横浇道的连接方式将有助于横浇道挡渣。内浇道可以调节铸型和铸件各部分的温差和凝固顺序，控制金属液流的充型速度和方向，使之乎稳地充填型腔。1.1.浇口比的影响浇口比的影响 直浇道、横浇道和内浇道截面积之比（即S直:S横:S内）称为浇口比。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。因此，轻合金铸件常采用S内比S阻大得多的开放式浇注系统。两种浇注系统的充型流态如图7-22所
14、示。2.2.内浇道流量的不均匀性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。内浇道流量的不均匀性U可用式 表示。它与浇口比，内浇道与横浇道的搭接形式，整个浇注系统的结构等因素有关，各种因素的影响见图7-23，图7-24。3.3.内浇道设计的基本原则内浇道设计的基本原则1）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。2）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。3）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
15、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。球墨铸铁件的内浇道厚度如图7-25所示，内浇道的长度和宽度为4倍厚度。4）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。5）避免内浇道开设在铸件品质要求很高的部位，以防止组织粗大。6）为了使金属液快速而平稳地充型，有利于排气和除渣，各个浇道中的金属液流向应力求一致，防止金属液在型内碰撞，流向混乱会出现过度紊流。7）尽量在分型面上开设内浇道，使造型方便。8）对收缩大易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。7.1.67.1.6浇注系统的充满理论浇注系统的充满理论 砂型具有透气性，从这种特殊
16、边界条件出发，可知只有金属流的压力（p）高于金属壁的气体压力（pa）时才呈充满状态流动。这时型壁对金属流有约束作用，除了砂粒承受金属的压力之外，砂粒间的微孔所形成的毛细管压力和孔内的气体压力，共同组织金属液渗入孔隙。而液流压力p下降到等于型壁的气体压力pa时，金属液流开始脱离型壁出现非充满流态。因此，砂型浇注系统的充满条件可以表示为：ppa 下面分析横浇道和直浇道的充满条件。设有一基本形式的浇注系统如图7-26所示。以0-0面为基准面，它穿越内浇道断面之重心。1-1面穿过横浇道界面之重心。浇注稳定后，在横浇道上任意断面r-r和内浇道入口处i-i断面之间应用伯努利方程（在忽略了因拐弯，突然扩大和
17、缩小等引起的质量力的影响的条件下）有：众所周知，实际液态金属是有粘度的，不能当做理想流体去研究，实际流体的流动阻力影响是不容忽略的。图7-27所示的浇注系统，其浇口比为S直:S横:S内=1:2.5:2.5，浇注时仍呈正压充满态流动，实际砂型浇注铸铁的试验得到同样的结论。第二节第二节 浇注系统的基本类型浇注系统的基本类型7.2.17.2.1浇注系统设计原则与类型选择浇注系统设计原则与类型选择 浇注系统常用的分类方法有两种：一是根据各组元断面比例关系的不同，即阻流断面位置的不同，分为封闭式和开放式浇注系统；另一是按内浇道在铸件上的相对位置不同，将浇注系统分成如图7-28所示的顶注式、中间注入式、底
18、注式和阶梯式等四种类型。7.2.2 7.2.2 封闭、开放式浇注系统封闭、开放式浇注系统1.1.封闭式浇注系统封闭式浇注系统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。封闭式浇注系统包括了以内浇道为阻流的各种浇注系统和部分扩张式（S内/S阻1.5-2.5）的浇注系统。封闭式浇注系统有较好的阻渣能力，可防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便。主要缺点是：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；因此，主要应用于不易氧化的各种铸铁件。对于容易
19、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。2.2.开放式浇注系统开放式浇注系统 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。轻合金铸件、球铁件及漏包浇注的铸钢件宜采用开放式浇注系统，但直浇道不能成充满态，以防钢水外溢，造成事故。主要缺点：阻渣效果稍差，内浇道较大，金属消耗
20、略多。3.3.半封闭式浇注系统半封闭式浇注系统其断面比例关系是：F横 F直 F内。这样的浇注系统，直浇道一般是上大下小的锥形，能很快充满，而横浇道断面最大、充满较晚，可以有效降低液流速度，在浇注开始时充型平稳，对铸型的冲刷比封闭式浇注系统小得多，挡渣作用则比开放式好。当横浇道的断面比内浇道大很多时，横浇道虽然在较长时间末被充满，如液面超过了内浇道顶面(指内浇道位于横浇道底部时)，横浇道仍有一定的档渣能力。4.封闭封闭-开放式浇注系统开放式浇注系统其特点是控制流量的阻流断面位于直浇道下端，或在横浇道中，故浇注系统各组元的断面比例相应地有以下几种关系：F杯 F直F横F内 F杯 F直F集渣包出口F横
21、后F内 F直F阻F横后F内 或F直F阻F内F横后其中F横后是指阻流断面之后各段横浇道断面积之和。7.2.3按内浇道在铸件上的位置分类按内浇道在铸件上的位置分类1.顶注式浇注系统顶注式浇注系统以浇注位置为基准，内浇道设在铸件顶部的，称为顶注式浇注系统（见图7-29）。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。缺点：易造成冲砂缺陷金属液下落过程中接触空气，出现飞溅、氧化、卷入空气等现象，使充型不平稳；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
22、工作在非淹没状态；横浇道阻渣条件相对较差。简单式：用于要求不高的简单小件。楔形式：浇道窄而长，断面积大，适用于薄壁容器类铸件。压边式：金属液经压边窄缝进入型腔，充型慢，有一定补缩和阻渣作用。适用于结构比较简单、且高度不大的薄壁铸件以及致密性要求较高、需用顶部冒口补缩的中、小型厚壁铸件。对易氧化的合金则不易采用。见图7-30，浇口以一条窄而长的缝隙与铸件顶部连接，浇注时金属液通过压边缝隙顺壁充型，水力半径很小，液流对铸型冲击力也小。铸件可自下而上地顺序凝固，而且通过窄缝浇口浇注，延长了浇注时间，故浇注过程中就有补缩作用。用以浇注有厚大部分的中、小铸件可不产生缩孔。结构简单，能节约金属，挡渣作用良
23、好，便于清除。压边浇口和雨淋浇口是顶注式浇注系统的两种特殊结构形式，它们都能细化流股，有边浇边补缩的作用。结构简单易于清除，多用于中小型各种厚壁铸铁件。2.2.底注式浇注系统底注式浇注系统 内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统（见图7-32）。主要优点：内浇道基本上在淹没状态下工作，充型平稳；可避免金属液激溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷；无论浇口比是多大，横浇道基本工作在充满状态下，有利于阻渣；型腔内的气体容易顺序排出。主要缺点：充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩；内浇道附近容易过热，导致缩孔、缩松和结晶粗大等缺陷；金属液面上升慢，容易结皮，难于保证高大的薄壁铸件充满，易形成浇不到
24、、冷隔等缺陷；金属消耗较大。牛角浇口(图7-33)和底返式分散充型浇口(图7-34，即所谓的“底返雨淋浇口”)都属于底注式浇注系统。牛角浇口多用于有色金属小铸件，为避免出现“喷泉”现免可将牛角倒装，制成如图7-33b那样。底返式分散充型浇口突出的优点是铸件温度分布均匀，同一横断面上的金相组织比较一致，可使导轨面朝下浇注的重型机床床身导轨上的两瑞硬度趋于一致。其次，进入型腔的金属液不旋转，可避免渣子粘附在芯子上，改善了筒形铸件的内表面质量。基本形底注式浇注系统：适用于容易氧化的非铁合金铸件和形状复杂并要求高的黑色金属铸件。牛角式：用于各种铸齿齿轮和有砂芯的盘形铸件。底雨淋式：充型后金属温度分布均
25、匀，同一水平横截面上的金相组织和硬度一致。型内金属液上升平稳且不发生旋转运动，能避免熔渣粘附在砂芯上。适用于内表面质量要求高的筒类铸件等。3.3.中间注入式浇注系统中间注入式浇注系统 从铸件中间某一高度上开设内浇道的称为中间注入式浇注系统（见图7-35）。对内浇道以下的型腔部分为顶注式，对内浇道以上的型腔部分相当于底注式，它兼有顶注式和底注式浇注系统的优缺点。由于内浇道在分型面上开设，故极为方便，广为应用。适用于高度不大的中等壁厚的铸件。4.阶梯式浇注系统阶梯式浇注系统 在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式浇注系统（见图7-36）。阶梯式浇注系统适用于高度大的中、大型铸件，具有垂直分型面
26、的中大件可优先采用。（1）多直浇道的阶梯式为了实现分层引注的目的，可采用多直浇道阶梯式浇注系统，各层内浇道分别与专用直浇道相连接，当型腔内液面高度达一定界线时，停止使用与最底层内浇道相连接的第一个直浇道。生产中，大铸件多使用如图7-37所示的阶梯式浇注系统。（2）用塞球法控制的阶梯式直浇道呈非充满状态浇注，当型内液面上升到接近第二层内浇道时，向内浇道投放第一枚金属球，塞住下层直浇道通路，使金属从上层内浇道注入型腔，如此顺序进行浇注。为有效地控制浇注顺序，直浇道采用特制耐火砖管或砂芯管，上层的V形管径大于下层，上层金属塞球也相应加大直径。优点是能较可靠地控制浇注顺序，并获得有利的金属液分布。缺点
27、是需要特制耐火管和金属塞球。对于经常应用阶梯式浇注系统的铸造厂可以考虑使用。（3）控制各组元断面比例的阶梯式 将阻流断面设置在浇口杯出口处，或主直浇道下端，或横浇道之中，或分配直浇道上端，使金属液在分配直浇道中呈不充满状态，并使h有效h0如图7-36c。（4）带有缓冲或反直浇道的阶梯式 如图7-36d、e所示，金属液流经直浇道及S横进入宽大的缓冲或反直浇道内，它未充满并使h有效h0，从而实现铸件的顺序凝固，有利于补缩。适用于中大型的铸钢件。第三节第三节 阻流断面积的确定阻流断面积的确定 设计浇注系统除了正确选择其类型、引注位置及在铸型中的合理布置外，如果各组元的尺寸及断面比例关系不恰当，仍然不
28、能得到理想的结果。金属液进入型腔的速度和流量对铸件质量有相当的影响，而控制金属液流速的最小断面又决定着充型速度。影响浇注系统尺寸的因素很多，诸如性能不同的合金、材料及工艺不一的铸型、千变万公式化的铸件结构与尺寸、互有差异而且经常改变的生产条件等，所以目前还没有一种能概括所有复杂多变条件的理论计算方法。7.3.1奥赞公式奥赞公式 把浇注系统视为充满流动金属液的管道，是用水力学原理计算浇注系统阻流（最小）截面积的基础，所导出的公式适用于转包浇注的封闭式浇注系统。图7-38以内浇道为阻流截面，金属压力头不变。假定型腔内气体压力等于大气压力。以分型面（内浇口-阻流的顶面）为0-0面。7.3.27.3.
29、2浇注时间浇注时间 浇注时间对铸件质量有重要影响，应考虑铸件结构、合金和铸型等方面的特点来选择浇注速度。快速浇注的优点：金属的温度和流动性降低幅度小，易充满型腔。减小皮下气孔倾向。充型期间对砂型上表面的热作用时间短，可减少夹砂结疤类缺陷。对灰铸铁、球墨铸铁件，快浇可以充分利用共晶膨胀消除缩孔缩松缺陷。快速浇注的缺点：对型壁有较大的冲击作用，容易造成涨砂、冲砂、抬箱等缺陷。浇注系统的重量稍大，工艺出品率略低。快速浇注法适用于薄壁的复杂铸件、铸型上半部分有薄壁的铸件、具有大平面的铸件、铸件表皮易生成氧化膜的合金铸件、采用底注式浇注系统而铸件顶部又有冒口的条件下和各种中大型灰铸铁件、球墨铸铁件。慢速
30、浇注的优点：金属对型壁的冲刷作用轻，可防止涨砂、抬箱、冲砂等缺陷。有利型内、芯内气体的排除。对体收缩大的合金，当采用顶注法或内浇道通过冒口时，慢浇可减小冒口，浇注系统消耗金属少。慢速浇注的缺点：浇注期间金属对型腔上表面烘烤时间长，易形成夹砂结疤和粘砂类缺陷。金属液温度和流动性降低幅度大，易出现冷隔、浇不到及铸件表皮皱纹等缺陷。慢浇还降低了造型流水线的生产率。慢速浇注法适用于有高的砂胎或吊砂的湿型；型内砂芯多、砂芯大而芯头小或砂芯排气条件差的情况下；采用顶注法的体收缩大的合金铸件。2.2.合适的浇注时间合适的浇注时间 合适的浇注时间与铸件结构、铸型工艺条件、合金种类及选用的浇注系统类型等有关。每
31、种铸件，在已确定的铸造工艺条件下，都对应有适宜的浇注时间范围。对于铸铁、铸钢件，推荐用下表7-5的经验数据决定浇注时间。对于球墨铸铁件，推荐用图7-39给出的经验数据决定浇注时间。对其它合金铸件，可参考有关资料。7.3.3金属液在型内的上升速度金属液在型内的上升速度 经验公式或图表所确定的浇注时间没有考虑每个铸件的具体条件和工艺因素。如，浇注时间应小于形成浇不到和冷隔的最大允许浇注时间，还应短于形成夹砂结疤类缺陷的极限允许时间；浇注时间应大于气体从型内逸出的最小允许时间，浇注时间应大于型内金属液形成严重紊流程度的允许充型时间等。型内金属液上升速度型用下式计算：式中，C为铸件（或某段）的高度；为
32、浇注时间。7.3.47.3.4流量系数流量系数的确定的确定 浇注系统的流量系数通常是指阻流截面的流量系数。如果阻流不设在内浇道，则内浇道的流量系数比浇注系统（阻流）的流量系数值要小。流量系数与浇注系统中各部分的的阻力及型腔内流动阻力大小有关。凡与此有关的因素，如浇注系统的结构、尺寸、浇口比，铸件复杂程度、铸型条件、合金特性、浇注温度等都对其有影响。因此，准确地确定流量系数值是件困难的工作。常用如下两种方法：对重要的铸件或大量生产的铸件，可用水力模拟实验法，在实验室中测出流量系数。对于一般铸件可以根据经验数据确定。对球墨铸铁可依图7-40确定流量系数，超过100kg的中、大件，也可以参照表7-8
33、。钢件可参照表7-9确定值。7 74 4 铸铁件浇注系统铸铁件浇注系统通常在确定铸造方案的基础上设计浇注系统。大致步骤为：（1）选择浇注系统类型；（2）确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引入方向；（3）决定直浇道的位置和高度；（4）计算浇注时间并核算金属上升速度；（5）计算阻流截面积S阻；（6）确定浇口比并计算各组元截面积；（7）绘出浇注系统图形。7.4.1 7.4.1 用流体力学公式计算浇注系统的尺寸用流体力学公式计算浇注系统的尺寸计算浇注系统，主要是确定最小断面积（阻流断面），然后按经验比例确定其它组元的断面积。以伯努利方程为基础推导换算成铸铁浇注系统的如下近似计算公式：G值可通过估算、
34、计算、称量的方法得到，、t、H p为未知数。（1）流量损耗系数值的确定（2）浇注时间 t 值的确定（3）平均静压头Hp的确定（4）最小剩余压头Hm的确定7.4.2 用浇注比速计算浇注系统的尺寸用浇注比速计算浇注系统的尺寸 此法可用于各种合金，各类铸件的浇注系统计算，主要用在大型和重型铸件上。对于封闭式浇注系统，浇注比速即单位时间内通过阻流截面单位面积的金属液，其阻流面积F阻(cm2)的计算公式为式中，G为流经F阻截面的液体金属质量（kg）；t 浇注时间（s）；K为浇注比速（kg/cm2）；L为金属液流动系数，对于铸铁，可取1.0。浇注比速K主要取决于铸件的相对密度Kv(kg/cm2)，而，V是
35、铸件轮廓体积（dm3）。显然，Kv值越大，说明铸件结构越简单。壁越薄，Kv值越小，则铸件结构越复杂。浇注比速K与G和Kv的关系如图7-41。7.4.3 图表法确定浇注系统尺寸图表法确定浇注系统尺寸 浇注系统阻流断面尺寸的计算比较复杂，并含有许多经验数据存在一定的局限性，生产中往往采用图表法，使用方便、直观。下面推荐几种生产中常用的图表，供参考。1）索伯列夫图表 该表适用于一般大、中型铸铁件的湿型铸造，用于干型时，可将查到的阻流断面面积减少15%-20%，图7-42。2）经验数据确定浇注系统阻流截面面积，表7-17。第五节第五节 阶梯式浇注系统的计算阶梯式浇注系统的计算除了多直浇道的阶梯式以外，
36、其余几种类型都需满足以下两个条件才能实现分层引注：1）连接各层内浇道的分配直浇道（包括缓冲直浇道、反直浇道）应呈非充满状态。2）分配直浇道中液态金属的自由液面以下的有效压力头时，应小于两层内浇道之间的距离，既h有效H0（参看图7-43）。计算原理及步骤：（1）阻流面积S阻的计算（2）分配直浇道截面积（3）每层内浇道的总截面积一般地说，当铸件高度超过600mm时，就可采用阶梯式浇注系统，两层内浇道的间距在6001200mm范围内。大型铸件需采用多层砂箱造型时，上下段分配直浇道的相接处，宜采用喇叭形结构，这样可避免因错型而使分配直浇道截面缩小，导致“乱浇注”。使上层内浇道向上倾斜（如30），也可起
37、到上述作用。第第6 6节节 垂直分型浇注系统的计算垂直分型浇注系统的计算1.1.计算原理计算原理 垂直分型无箱造型的特点是：造型、浇注、冷却过程中分型面均呈垂直状态。恒压等流量浇注系统有较多的优点：1）上下各层铸件质量比较一致；2）浇注系统占用模板面积小；3）工艺出品率高。2.2.设计要点设计要点（1）以内浇道为阻流的强封闭式浇注系统 目的是维持各层内浇道充型时金属压力头恒定，使每个型腔同时充满。浇口杯应足够大。（2）严格控制浇注时间 浇注时间应严格服从造型机节拍。根据经验，浇注时间的变化如果超过1秒，废品就会大幅度增加。浇注速度与浇注时间的经验关系见表7-18。（3）小的薄壁铸件可利用浇注系
38、统当冒口薄而小的可锻铸铁件，可用浇注系统作为冒口进行补缩。对较大的热节或铸件，则另设冒口，使内浇道通过冒口，以提高冒口的补缩效率。第第7 7节节 其他合金铸件浇注系统其他合金铸件浇注系统7.7.17.7.1 铸钢件浇注系统铸钢件浇注系统1.铸钢件浇注系统的特点铸钢件浇注系统的特点 1）铸钢的熔点高，浇注温度高，钢液对砂型的热作用大，且冷却快，钢液流动性差，所以要求用较短的时间以较高的流速浇注。2）钢液易氧化，应避免流股份散、激溅和涡流，保证钢液平稳地充满砂型。3）铸钢件体收缩大，易产生缩孔，需按顺序凝固的原则设计浇注系统，并用冒口补缩。4）铸钢件线收缩大，收缩四内应力大，产生热裂，变形的倾向也
39、大，故浇冒口的设置应尽量减小对铸件收缩的阻碍。2.铸钢件浇注系统的铸钢件浇注系统的设计原则设计原则1）保证钢液平稳的注入铸型，避免钢液流互相撞击或乱流。2）内浇道的位置应尽量收缩短钢液在型内流动的路程，以避免铸件产生冷隔等缺陷。3）形状复杂的薄壁铸件的内浇道的设置，应避免钢液直接冲击型壁或砂芯。4）内浇道应避免开在芯头边界及靠近内冷铁、外冷铁、芯撑的地方。5）圆筒形铸件的内浇道应沿切线方向开设，使钢液在型内旋转，以利于钢液内的夹杂物浮进冒口。6）需要补缩的铸件，内浇道应促使其顺序凝固。7）对高度超过600mm 的铸件，需采用多层内浇道以防止浇不到、冷隔、裂纹和粘砂等缺陷，多层内浇道的设置应保证
40、钢液仔细而上地进入型腔。8）为防止钢液过早地从上层内浇道进入型腔，可使上层内浇道向上倾斜。3.铸钢件浇注系统的形式铸钢件浇注系统的形式 除大批量生产线上及浇注小铸件使用转包和茶壶式浇包外，铸钢件大多采用底注包浇注。底注包保温性能好，流出的钢液夹杂物少，无需采用结构复杂的浇注系统挡渣。4.底注包浇注系统底注包浇注系统 采用底注包浇注钢件，关键是选定底注包包孔直径，然后按经验比例确定浇注系统组元的尺寸，最后检验平均浇注速度和型内页面上升速度是否符合铸件教主的要求。（1）浇包容量及包孔选择 （2）浇注时间和液面上升速度 （3）浇注系统各组元断面积的计算 （4）补浇冒口的专用浇道7.7.27.7.2
41、轻合金铸件浇注系统轻合金铸件浇注系统 轻合金是铝、镁合金的统称，特点是密度小，熔点低，容积热容量小而热导率大，化学性质活泼，极易氧化和吸收气体。常见缺陷有：非金属夹杂物、浇不到和冷隔、气孔、缩孔、缩松及裂纹、变形等等。轻合金的浇注温度低，对型砂的热作用较轻。如果出现夹砂结疤、粘砂缺陷，常是因型砂质量太差引起的。过热的铝合金有很高的氢的溶解度，因而应严格控制熔炼温度，脱氢和变质处理应精心，否则易引起析出性气孔。轻合金液化学性质极为活泼，一旦接触空气或水分，表面立即被氧化，因此，液流表面总是覆盖着一层极薄的氧化膜。轻合金适合应用开放式的底注式浇注系统。据经验，低于100mm的铸件才可用顶注式或中间
42、注入式浇注系统。广泛应用垂直缝隙式和带立缝的底注式浇注系统（见图7-56），能把合金液平稳地导入型腔，有利于顺序凝固。蛇形直浇道增加流动阻力，降低流速使充型平稳。高大铸件可使用阶梯式浇注系统。铸件浇口比如下：小于20kg：S直：S横：S内1：2：（24）2050kg：S直：S横：S内1：3：（45）大于50kg：S直：S横：S内1：4：（56）1.1.铝、镁合金浇注系统铝、镁合金浇注系统轻合金铸件一般采用开放式浇注系统，各组元常用的截面积比，见表7-29。各组元的截面积虽可计算，但通常采用经验数据。铝、镁合金铸件的浇注系统中，直浇道的截面积最小，以先确定直浇道的截面积为宜。铝合金铸件，可根据浇
43、注质量按表7-34选定直浇道的截面积，镁合金也可参照采用。采用滤渣网的浇注系统，滤渣网网眼总面积可按如下比例求得：F直:F网=1:(0.60.8)。滤渣网可用薄铁片制成其厚度为0.30.8%，网孔直径1.52.5mm，孔洞率30%。滤渣网也可用镀锌铁丝制成，对铝镁合金，网孔0.81mm，其它铝合金12mm。滤网要干净，上喷涂料，使用前经200预热15mm20min。滤渣网安放在横浇道的搭接处（图7-57）或横浇道内，并与金属液流成一定角度。横浇道的断面形状多数为梯形；内浇道的断面形状有高梯形和扁平梯形。内浇道一般开在壁厚的部位（凝固较慢），以便造成定向凝固，此时内浇道形状为高梯形，并在内浇道前
44、设补缩暗冒口；对壁厚均匀的铸件，内浇道一般开在壁较薄的部位（凝固较快）并力求均匀分布，以便造成同时凝固，此时内浇道形状为扁平状。内浇道厚度一般为引入处铸件壁厚的50100%，对于薄壁件可取比铸件壁厚小2mm。内浇道与铸件的接合处，适当扩大成喇叭状并带圆角，以避免产生冲击，使充型平稳。采用垂直缝隙式浇道的形式时，缝隙浇道的形式见图7-58。2.铜合金浇注系统铜合金浇注系统 铸造常用的铜合金有铝青铜、锡青铜和黄铜。铝青铜结晶温度范围窄，易产生集中缩孔，易氧化生成氧化膜和铸件夹杂物。多应用底注、开放式浇注系统，并常用滤渣网和集渣包。锡青铜和磷青铜的结晶温度范围宽，易产生缩松缺陷，但受氧化倾向轻。可采用雨淋式、压边式等顶注式浇注系统。对大中型复杂铸件，也常设滤网除渣，并使流动趋于平稳。黄铜的铸造性能接近于铝青铜等无锡青铜，黄铜液中因有锌蒸气的保护和自然脱气作用，故很少形成氧化膜和析出性气孔。应依顺序凝固的原则设置浇注系统和冒口。实际生产中，铜合金铸件的浇注系统，一般可由查表法确定。