澆注系統(tǒng)設(shè)計課件

液態(tài)金屬成型及CAD澆注系統(tǒng)與冒口設(shè)計部分1、何為鑄造？熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法，稱為鑄造。

缺點：

1）鑄造組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷，因此，鑄件的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度低于同種材料的鍛件。

2）鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。優(yōu)點：

1）可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜，特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件毛坯，如各種箱體、床身、機架等。

2）鑄造生產(chǎn)的適應(yīng)性廣，工藝靈活性大。工業(yè)上常用的金屬材料均可用來進行鑄造，鑄件的重量可由幾克到幾百噸，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）鑄造用原材料大都來源廣泛，價格低廉，并可直接利用廢機件，故鑄件成本較低。2、鑄造優(yōu)缺點

圖3-2鑄造產(chǎn)品

第一節(jié)

澆注系統(tǒng)設(shè)計

§3-1澆注系統(tǒng)概念

一、

什么是澆注系統(tǒng)在鑄型上用以把金屬液體從澆包引入到型腔內(nèi)所經(jīng)過的一系列通道稱為澆注系統(tǒng)。將金屬液體正確引入鑄型型腔，對保證鑄件的質(zhì)量起重要作用，一般鑄件由于澆注系統(tǒng)設(shè)置錯誤而造成的鑄件廢品的，約占鑄件總廢品的30%，使金屬液的消耗增加；鑄件成本增加

第三章

澆冒口系統(tǒng)設(shè)計

三、

澆注系統(tǒng)的組成澆口杯——承接澆包中的液體金屬。直澆道——將金屬液由澆口杯引入到橫澆道。橫澆道——將金屬液引入到內(nèi)澆道，阻擋熔渣、氣體、砂粒進入型腔。內(nèi)澆道——將金屬液體引入型腔。

§3-2澆注系統(tǒng)類型一、澆注系統(tǒng)按內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件的不同高度處分類（見圖3-2-3.a)、b)、c)、d)）

1.

頂注式澆注系統(tǒng)——內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件的最高處；

2.

中間注入式澆注系統(tǒng)——內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件側(cè)面，從鑄件中間高度引入；

3.

底注式澆注系統(tǒng)——內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件最低處側(cè)面或底部；４.階梯式澆注系統(tǒng)——內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件一側(cè)不同高度多層式引入；

1.頂注式；優(yōu)點：金屬液自由下落，逐漸地自下而上充滿型腔，創(chuàng)造自下而上逐步升高的溫度梯度，有利于鑄件的方向性（順序）凝固和自補縮，也有利于在頂部設(shè)置冒口補縮，而且冒口尺寸可以較小。澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，消耗金屬液較少，清理鑄件容易。缺點：金屬液自由下落，沖擊力大，充型不平穩(wěn)，易發(fā)生飛濺，氧化和卷入空氣等現(xiàn)象。鑄件中容易出現(xiàn)砂眼，冷豆、氣孔和夾雜等缺陷。應(yīng)用：重量不大，不高和形狀簡單的薄壁或中等壁厚的鑄件。頂注式澆注系統(tǒng)的其它形式：雨淋式和壓邊澆口應(yīng)用：金屬液消耗較大，適用于中型或大型的較高壁厚鑄件。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件。易氧化的合金。３.

分型面（中間）注入式澆注系統(tǒng)

金屬液經(jīng)過開在分型面上的橫澆道和內(nèi)澆道進入型腔。也就是對于分型面以下的那部分是頂注，而對于分型面以上的那部分則為底注，故部分兼有頂注和底注的優(yōu)點。由于內(nèi)澆道在分型面上開設(shè)，就能方便地按需作出布置，有利于控制金屬液的流量分布和鑄型的熱分布，對形狀復(fù)雜的鑄件十分有利。這種澆注系統(tǒng)應(yīng)用很普遍，適用于中等重量、高度不大、中等壁厚的鑄件。

４.

階梯式澆注系統(tǒng)金屬液應(yīng)該是先按底注方式又最下層內(nèi)澆道引入型腔，待金屬液面接近第二層內(nèi)澆道時，才有第二層內(nèi)澆道引金屬液進入型腔，……如此類推，使金屬液由下面逐層按順序充填型腔，最熱的金屬液經(jīng)最高的那層內(nèi)澆道進入型腔頂部或頂冒口中，見圖3-2-8。

優(yōu)點：金屬液在充填過程中對鑄型的沖擊少；液面上升平穩(wěn)，且逐漸上部分的溫度較高有利于渣、氣等上浮和排入冒口中，對改善鑄件的補縮條件和均勻鑄型的溫度都有良好的作用。

缺點：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，增大造型、清理等工序工作量。

二、按澆注系統(tǒng)各基本組元截面積的比例分類

1.

封閉式澆注系統(tǒng)——這種澆注系統(tǒng)各組元中總截面積最小時內(nèi)澆道，也就是說內(nèi)澆道成了該系統(tǒng)中的阻流截面。統(tǒng)常寫成F直＞F橫＞F內(nèi)

特點：澆注系統(tǒng)易被金屬液充滿，撇渣能力好，可防止氣體卷入。但由于內(nèi)澆道流出的金屬液體受該系統(tǒng)中有效壓頭的直接作用，因此流速較大，有時會發(fā)生噴射現(xiàn)象，因而，不適宜用于易氧化的有色金屬件或壓頭大的件，也不宜用于用柱塞包澆注的鑄鋼件。

2.

開放式澆注系統(tǒng)——一般說來，這種澆注系統(tǒng)就是F直＜F橫＜F內(nèi)，即是系統(tǒng)中的阻流截面在直澆道下端或者在它附近的橫澆道上，以期直澆道充滿。

特點：它主要適用于易氧化的有色金屬鑄件，球鐵鑄件和柱塞包澆注的中大型鑄鋼件。開放式澆注系統(tǒng)在一定比例和一定條件下，也是可以充滿的在鋁鎂合金逐漸上通常的比例是

F直:F橫:F內(nèi)=1:2:4（二）、澆口盒

對于較大的鑄件，為了能較好的初次撇渣和控制流量以及均勻地供給金屬，常采用澆口盒，如圖3-2-11a所示，金屬也從側(cè)面進入澆口杯時，產(chǎn)生二支股流，一支股流在垂直面內(nèi)運動，會耗損能量，減小流量，但有利于渣和氣泡上浮。

另一支股流繞直澆道口作回轉(zhuǎn)運動，當達到某一定速度時就形成水平渦流。渦流中心即為直澆道口，渦流將在金屬液自由表面形成一個充滿空氣的渦管，渦管處壓力很低，附近的渣和氣會被直接吸入直澆道內(nèi)，從而降低鑄件質(zhì)量。消除渦流的方法就是①降低澆包高度，②沿澆口盒長度方向澆注時，由于不易產(chǎn)生高速的水平渦流，通常不形成渦流。還有，縱向順澆：渣等輕質(zhì)點易進入直澆道。縱向反澆時，產(chǎn)生一個向上的回轉(zhuǎn)作用，有助于渣、氣等上浮。（圖3-2-13a、b）側(cè)向反澆最好，縱向順澆次之，測澆底坎作用不明顯易形成水平渦流（不好）。圖3-2-14d是一種常見的澆口杯形式，其底坎促使液流形成垂直渦流，從而減少雜質(zhì)進入直澆道。

a)合理b)c)不合理

二、

直澆道直澆道的作用是，將來自澆口杯的金屬液引入橫澆道、內(nèi)澆道并最后充填型腔。它提供足夠的壓頭以保證金屬液克服沿程的各種阻力，在規(guī)定的時間內(nèi)，以一定的速度充填型腔。一般直澆道錐度為1:50或1:25

澆口杯與直澆道相接處的圓角R≥0.25dh(h直澆道)。圖3-2-17水力模擬試驗表明：當澆口杯與直澆道入口處聯(lián)接為尖角時，直澆道呈非充滿狀態(tài)，而且在圓柱形直澆道內(nèi)為負壓流動，所以即使在充滿狀態(tài)下也將出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象。當帶錐度的直澆道內(nèi)，錐度超過臨界值時，將出現(xiàn)正壓流動，未有吸氣現(xiàn)象。

三、

直澆道窩

直澆道轉(zhuǎn)入橫澆道是一個急轉(zhuǎn)彎，如果金屬液流速大，將出現(xiàn)嚴重的紊流和沖刷鑄型，設(shè)置澆口窩起緩沖作用，減少對鑄型的沖刷，還可以流動分布。

四、

橫澆道

主要作用：①除了是金屬液以均勻而足夠的量平穩(wěn)的流入內(nèi)澆口外，②其結(jié)構(gòu)開放式還要有利于渣及非金屬夾雜物上浮并滯留在其頂部，而不隨流進入型腔，故又稱為撇渣道。因此希望金屬液流流動平穩(wěn)有利于撇渣。（常用辦法利用水力學(xué)中局部阻力和沿程阻力的概念來設(shè)計橫澆道）。

此外，橫澆道的結(jié)構(gòu)也有很大的作用：①

橫澆道要有延長段（圖3-2-21）；②

要有足夠長度、足夠高度（圖3-2-22）；渣一般上浮，V2=2r2(ρ液-ρ雜)/gη液體在橫澆道內(nèi)流動分為V1、V2V1為液流速度，V2為上浮速度渣在V1V2復(fù)合作用下運動，應(yīng)保證金屬液入內(nèi)澆道以前讓渣浮到橫澆道頂部，留在橫澆道內(nèi)。當V1即金屬液流速過快時，紊流加大→渣上浮阻力加大→臨界流速約為懸浮速度，渣越小，懸浮速度越小，則危險性越大（越易進入內(nèi)澆道）。③

在內(nèi)澆道入口處存在“吸動作用區(qū)”（圖3-2-23）；這個區(qū)域范圍略大于內(nèi)澆道橫截面積，并且與內(nèi)澆道內(nèi)多層金屬液流速V有關(guān)。吸動區(qū)作用范圍隨內(nèi)澆道橫截面積的增大及內(nèi)澆道與橫澆道的高度比h內(nèi)/h橫的增大而增大加劇。（圖3-2-24）（圖3-2-25）將內(nèi)澆道/橫澆道聯(lián)接處作了修改（圖3-2-26）在內(nèi)澆道前面壓縮流線，防止初始金屬液慢慢流入內(nèi)澆道。

五、

內(nèi)澆道內(nèi)澆道的作用是控制金屬液充填鑄型的速度和方向，調(diào)節(jié)鑄型各部分的溫度和鑄件的凝固順序。由圖3-2-28，可知：如果截面積相等，離直澆道較遠的內(nèi)澆道流出的流量最大，而靠近直澆道的內(nèi)澆道流出的流量較小，但如果調(diào)整澆注系統(tǒng)各族元之間的比例適當，內(nèi)澆道之間的流量比是有可能調(diào)整到彼此較為接近，那也就是說越遠的面積越小。

通常用最大相對流量偏差值K來評價內(nèi)澆道中的流量不均勻性。K=(δmax-δmin)/(Qn-1)δmax——內(nèi)澆道中最大流量

δmin——內(nèi)澆道中最小流量

Q——系統(tǒng)中的總流量

n——內(nèi)澆道的個數(shù)（圖3-2-29）不同分布的內(nèi)澆道中，最大流量偏差與F損／F內(nèi)的關(guān)系（圖3-2-29）橫澆道變截面，變高度，但要考慮吸動區(qū)（遠端）。（圖3-2-29）逐漸減小內(nèi)澆道面積的澆注系統(tǒng)，K最小速度↑1/3等截面積的澆注系統(tǒng)，K最大速度↑1/2

表3-2-1進入內(nèi)澆道速度過快是任何時候都不希望的，它可能導(dǎo)致互相混攪，二次夾渣。（內(nèi)澆道控制流量均性，速度均性）內(nèi)澆道截面形狀，通常是扁梯形，其優(yōu)點是它的高度底，不易把橫澆道內(nèi)的渣吸入，清理時容易打掉。

§３-２-５

澆注系統(tǒng)充滿理論砂型具有透氣性，從這種特殊邊界條件出發(fā)?？芍挥薪饘倭鞯膲毫高于型壁的氣流壓力Pa時，才呈充滿狀態(tài)。這時型壁對金屬流有約束作用，除了砂粒承受金屬的壓力外，砂粒間的微孔所形成的毛細管壓力和孔內(nèi)的氣體壓力，共同阻止金屬液深入孔隙；而液流壓力P下降到等于型壁的氣體壓力Pa時，金屬液流開始脫離型壁出現(xiàn)非充滿狀態(tài)。因此，砂型澆注系統(tǒng)的充滿條件表示為：

P>Pa3－4－6

下面分析直澆道、橫澆道充滿條件。Z-ZI-IrhrhiH橫3－4－7r-r至i-i截面間流動阻力系數(shù)。

若橫澆道呈充滿流態(tài)，依式（3－4－6）知r－r截面上最高點的壓力應(yīng)高于型壁界面的壓力。3－4－8同理，內(nèi)澆道最高點處的壓力應(yīng)等于型腔內(nèi)氣體的壓力，近似等于Pa，于是3－4－9hr－r-r截面重心到頂邊的距離；hi－i-i截面重心到頂邊的距離；

將式3－4－9代入式3－4－8中，消去Pa。然后以式3－4－7減去3－4－8得

簡化為

由于已假設(shè)澆注系統(tǒng)呈充滿流態(tài)，即砂型澆注系統(tǒng)截面也就是金屬液的截面，由連續(xù)方程知，

－r-r截面上流體的縮小系數(shù)；

又知：

3-4-10

于是,上式可轉(zhuǎn)化為3-4-11

橫澆道充滿條件公式3-4-11式中－內(nèi)澆道的流速系數(shù).當i-i截面充滿時，也是內(nèi)澆道的流量系數(shù)；

H－澆注系統(tǒng)總壓頭同理，在直澆道的任意高度z-z面和內(nèi)澆道的i-i面之間應(yīng)用伯努利方程、砂型充滿條件和連續(xù)方程，可導(dǎo)出直澆道的充滿條件及判別式：

3-4-12

式中

為z-z面至斷面i-i的總阻力系數(shù)

3-4-13其中：－直澆道上口處局部阻力系數(shù)；－直澆道段的局部阻力系數(shù)－直澆道底部拐向橫澆道的局部阻力系數(shù)－橫澆道至內(nèi)澆道出口段的局部阻力系數(shù)；－z-z面至基準面的距離從式3－4－11和3－4－12可以看出，：若把液態(tài)金屬視為理想流體，則全部阻力系數(shù)均等于零，流量系數(shù)μ＝1。只有S直>S橫>S內(nèi)才能滿足充滿條件，這就是傳統(tǒng)的澆注系統(tǒng)充滿理論。眾所周知，實際液態(tài)金屬是有粘度的，不能作為理想流體去研究，實際流體的流動阻力影響是不容忽視的。

圖3－4－28所示澆注系統(tǒng)，其澆口比為S直：S橫：S內(nèi)＝1:2.5:2.5，澆注時仍呈正壓充滿狀態(tài)流動，實際砂型澆注鑄鐵的試驗得到同樣的結(jié)論。

3－2－6提高橫澆道撇渣能力的措施一、幾種常見的措施二、使用陶瓷片的金屬液郭履技術(shù)§3-2-7澆注系統(tǒng)位置的選擇澆注系統(tǒng)位置的選擇就是選擇將金屬液引入型腔的位置和考慮怎樣安排冒口系統(tǒng)以達到有效充滿型腔和控制鑄件的凝固過程，才能夠獲得合格鑄件澆注系統(tǒng)開設(shè)的原則1)

從鑄件的薄壁處引入這種方法適用于薄壁而輪廓尺寸又大的鑄件。（因為可以實現(xiàn)同時凝固，應(yīng)力小，適合收縮不大的灰鐵鑄件）2)

從鑄件的厚壁處引入創(chuàng)造順序凝固，有利補縮鑄件，（適合有一定壁厚差而凝固時合金的收縮量較大的鑄件，如鑄鋼件）３)

內(nèi)澆道盡可能不開在鑄件重要部位局部過熱，粗大(組織)易縮松４)

內(nèi)澆道要引導(dǎo)液流不正面沖擊鑄型、砂芯等５)

澆注系統(tǒng)位置選擇，應(yīng)該使金屬液在型腔內(nèi)流動路徑盡可能短，還應(yīng)考慮不妨礙鑄件收縮６)

內(nèi)澆道應(yīng)開在加工表面

§3-2-8澆注系統(tǒng)的計算類型、位置確定之后，澆注系統(tǒng)各單元尺寸如何計算？至今沒有一個理論計算方法，可以把充填過程相互聯(lián)系起來（因澆金屬液體是變溫的流體）。型腔尺寸而只能近似的計算。把金屬液體看成是溫度不變的流體。然后和用水力學(xué)原理加以計算，把澆注系統(tǒng)看成是一系列的管道。

設(shè)計思想：通常是先計算出澆注系統(tǒng)中控制液流速度的最小總截面積或者阻流截面積的尺寸F阻，然后從所推薦的澆口比中選擇最接近現(xiàn)場具體情況的澆口比（經(jīng)驗值），進而求出各組元的截面尺寸，再通過實際澆注檢驗其效果，發(fā)現(xiàn)問題作相應(yīng)的修改，直到合格鑄件為止。

一、

常用澆注系統(tǒng)計算公式把充滿澆注系統(tǒng)的金屬液當作一種流體，在利用水力學(xué)經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出澆注系統(tǒng)其他各組元的尺寸，這是轉(zhuǎn)包澆注鑄件常用的計算方法。這類計算公式中沒有考慮到柱形散熱及金屬液溫度和化學(xué)成分的影響。計算模型：根據(jù)充填狀況不同：１）頂注，（液流從上往下）２）

底注，（液流從下往上）

為此，設(shè)計的以分型面澆注系統(tǒng)，兼顧了兩種情況如圖3-2-44

第一種情況：填充下型特點：出口處和澆口杯之間液柱高度不變，當最小截面是內(nèi)澆道時，根據(jù)，伯努力方程得出：其中：H－內(nèi)澆道以上金屬靜壓頭；V－金屬液由內(nèi)澆道流出的速度；－總的阻力損耗，－澆注系統(tǒng)中總的阻力系數(shù)①第一種情況下充填型腔的金屬液質(zhì)量式中：F阻－阻流截面面積－表示真實具有粘度的流體和沒有粘度的理想流體之間的比值，稱為流流量系數(shù)。于是：第二種情況：充填內(nèi)澆道以上的型腔部分，此時，內(nèi)澆道出口處壓頭P將不是零，而是內(nèi)澆道以后的各種阻力之和，（包括內(nèi)澆道出口處以上的型腔內(nèi)金屬液的平均靜壓力h’和型腔內(nèi)的總阻力損失∑h型損或于是，應(yīng)用伯努利方程：

設(shè)H均－作用在內(nèi)澆道中金屬液上的實際壓頭的平均計算值于是，當充填時間為τ

時式中：流量系數(shù)

m2

第二種情況下充填型腔的金屬液重量式中：①金屬液的重量m1、m2可以計算或承重②τ及μ、τ’、μ’可以通過查表計算出來

將上述兩種情形合起來，形成同時則為（或換算成m1=……m2=……然后相加）

H均

=H０充下型m——流經(jīng)阻流斷面的金屬總質(zhì)量τ——流經(jīng)全部型腔時間μ——澆注系統(tǒng)阻流截面的流量系數(shù)這里H均

、τ及μ待計算（一）、確定平均壓頭H均要保證里直澆道最遠的鑄件的最高部位能充滿和輪廓清晰，鑄件最高點與澆口杯液面之間必須保持一個最小壓頭

HM——剩余壓頭，它是否足夠可用下式進行核算

HM=Ltgα式中：L——自直澆道頂面中心支柱性中鑄件最高最遠點的水平距離。

α——壓力角，按表3-2-3確定

這樣結(jié)合鑄型高度P，直澆道高度確定了

H0=HM+P

其中：P－上型高度，HM－剩余壓頭

H均如何計算→采用直澆道所做的功來計算，平均壓頭H均①

充填內(nèi)澆道以下的下型部分所消耗的功為：A1=m1gH0②

充填內(nèi)澆道以上部分所消耗的功為：

A2=m2g[H0+（H0-P）]/2

③

充填整個鑄型所消耗的功為：A=A1+A2=m1gH0+m2g（H0-P/2）=（m1+m2）gH均假設(shè)：在整個鑄件高度上鑄型截面是相等的。則m1=S﹒P

m2=S（C-P）式中：C—鑄件總高度P—上型高度S－面積則：(C-P)H0+P(H0-2P)=CH均

H均=H0-P2/2C不同類型澆注系統(tǒng)所采用的H均

見表3-2-4（二）、澆注時間τ的確定計算澆注時間可采用經(jīng)驗公式，表3-2-5

澆注時間：充滿澆注系統(tǒng)和鑄型所需的時間叫澆注時間．球鐵、鑄鐵、鑄鋼、銅合金、鋁合金都有各自的公式澆注速度：澆注全部液量/澆注時間。

澆注時間決定澆注速度：流速大：易沖砂，但輻射小，局部過熱小，多用于澆

薄、復(fù)雜件，易產(chǎn)生夾砂。澆速?。簼沧⑵椒€(wěn)，沖擊小，減小沖砂或脹砂危險，但對鑄型輻射加劇，易產(chǎn)生夾砂、粉砂，生產(chǎn)率低的因此，澆注速度要適合（通過限制澆注速度，反過來驗算澆注時間）鋼水上升最小速度表３－２－７鐵水上升最小速度表３－２－８

V升＝鑄型高度／澆注時間（三）、流量系數(shù)μ

流量系數(shù)μ是澆注系統(tǒng)內(nèi)沿程摩擦損耗和渦流損失的函數(shù)，它隨流道的形狀、尺寸、柱形的性質(zhì)、流速等不同而變化。一般為0.3—0.8。具體可根據(jù)表3-2-9可查。

四）、澆注系統(tǒng)各組元的截面比澆注系統(tǒng)各組元的截面積一般都根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定，經(jīng)驗不足時可以先按類比的方法選用，再通過實際澆注驗證后確定。下面是推薦的一些F直:F橫:F內(nèi)的比例值：灰口鑄鐵：1:0.75:0.5

球鐵：1:0.90:0.8

鑄鋼：1:2.00:1.5、1:3:3、1:2:2

鋁合金：1:6:6、1:2:4

銅合金：