铸造工艺学-浇口设计

铸造工艺学浇注系统设计学院机械工程系主讲人：柴知章浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道。组成：浇口杯（又称外浇口）、直浇道、横浇道、内浇道等。2第7章浇注系统设计浇注基本要求：（1）内浇道设置符合铸件凝固原则和补缩方法；（2）在规定的浇注时间内充满型腔；（3）提供必要的充型压头，保证铸件轮廓、棱角清晰；（4）使金属液流动平稳，防止紊流、卷气、金属氧化；（5）具有良好的阻渣能力；（6）金属液进入时速度不可过高，避免飞溅、冲刷；（7）保证金属液面有足够的上升速度，避免夹砂结疤、浇不足；（8）不破坏冷铁、芯撑的作用；（9）金属消耗量小，并容易清理；（10）减少砂型体积，造型、制模简单。31流体力学原理（1）帕斯卡（Pascal）定律在一个静止而且相互连通的容器中，在一给定的水平面上各点的压力是相等的；等于该给定的水平面到液体顶部的垂直距离乘以液体的密度，加上外部压力。P=Pα+ρg·h（2）伯努利（E.Bernoulli）方程（能量守衡定律）在封闭系统中移动的流体由三种不同的能量组成：位能：用位于距离基准面以上h处的单位体积的流体来表示（基准面位置任选）。EP=h（m）57.1液态金属在浇注系统中的流动7.1.1在砂型中流动的水利学特点压能：作用在单位体积流体上的压力来表示。EP=p/ρ（m）p质量压力（kg/m2）ρ金属密度（kg/m3）动能：用单位体积的流体以速度v移动时的动量来表示。EK=v2/2g定理：在一封闭系统中，单位质量流体所携带的总能量是不变的，但其位能、压能、动能可以互换。h1+p1/γ+V12/2g=h2+p2/γ+v22/2g伯努利方程（3）托里拆利（Torricelli）定理是伯努利方程的一种特殊应用。在一个流体高度h不变的容器里在i=0的水平面处有一孔口，应用伯努利方程(i=h):(v=0，为大气压力)6hpaap(h=0):得：这是设计浇注系统最重要的根据之一。（4）连续流动定律单位时间内流经任一给定断面的系统时，流体的体积是常量。因此流速随着横截面积减少而增大。A1v1=A2v2（5）雷诺（Reynold）数Re=Dvρ/η。Re2320为紊流。7axpgv22ghvx2（2）充型伴随着热作用、机械和化学作用。（3）浇注过程是不稳定流动。（4）合金液在浇注系统中呈紊流状态。（5）多相流动。固相杂质、气相夹杂。82实际流动特点(1)流动通道多孔、透气、与金属液不润湿。充满与否取决于内外压力差。1浇口杯的作用（1）承接来自浇包的金属液，防止飞溅和溢出，便于浇注（2）减轻对直浇道底部和侧壁、型腔的冲击。（3）分离渣及气泡，防止其进入型腔。（4）增加充型压头。97.1.2浇口杯中的流动2结构形式漏斗形（bush）:挡渣效果差，结构简单。盆(池）形（basin）：挡渣效果好，结构复杂，操作相对复杂。10水平涡流水平旋涡是危害浇口杯全面发挥功能的重要原因。原因：水平各向流量不均衡造成流速方向的偏斜。113浇口杯挡渣原理1）水平涡流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。12影响水平旋涡的因素水平旋涡使气体、渣等沿等压面进入型腔。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口直径的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。13c浇注方向：逆向浇注较顺向浇注为佳。14生产中减轻水平旋涡的措施a用大深度浇口杯；b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；c浇口杯底部安放筛网砂芯等；15d在浇口杯底部设置堤坝，形成垂直旋涡。162）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。171直浇道的功用（1）引导金属进入横浇道、内浇道或型腔。（2）提供足够的压头。真空吸气理论：等截面直浇道附近型砂中的气体会被吸入液流，溶于液态金属中的气体也会因压力降低而析出。187.1.3直浇道中的流动（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，增加流动阻力和端面收缩率，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。19HhhSSziiz2)(1直内2直浇道的流动特点金属液对直浇道底部有强烈的冲击作用，并产生涡流和高度湍流区，引起冲砂，渣孔、夹杂等缺陷。因此设置直浇道窝。1直浇道窝的作用（1）缓流作用：动能→压力能→水平流速。（2）缩短直浇道－横浇道拐弯处的高度紊流区，起阻渣、防氧化、防止气体卷入作用。（3）改善内浇道的流量分布。避免远离直浇道的内浇道过大的流量。无窝，68.5；有窝，59.5%。（4）减小直—横浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失。（5）浮出金属液中的气泡。203直浇道窝212结构常做成半球形，圆锥台，柱状等形状。侧壁在能顺利拔模的条件下尽量垂直，转角处避免尖角，底面作成平面。底部砂型紧实，或放干砂芯，或放耐火砖。充型要求更平稳时，需要采用更大的直浇道窝。1横浇道的作用（1）向内浇道分配洁净金属。（2）储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣。（3）使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物。7.1.4横浇道中金属的流动2横浇道的阻渣原理阻渣条件：渣团上浮到横浇道顶部,超过内浇道吸动区。24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，雷诺（Reynold）数Re=Dvρ/η。Re2320为紊流。见表25渣团临界上浮速度：渣团在上浮初期有一加速度，但很快就会达到渣团上浮阻力F等于渣团浮力的情况,此时渣团具有的速度为渣团临界上浮速度，V0。V0的计算如下：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-渣团临界上浮速度，又称悬浮速度。2602(342023vRCgR）渣RCgv渣380金属液的悬浮速度：指当金属液（从上向下流动时）流速等于渣团的临近上浮速度时的速度，此时渣团处于悬浮状态。总结：a渣团半径小，对应悬浮速度也越小。b对应一定横浇道的流速有一可能上浮的临近渣团半径，只有大于临近半径的渣团才能上浮。c渣团密度相对于金属液密度越小，越有利于上浮。d横浇道内金属的流速越低，可能阻流的渣团也越小。3横浇道发挥阻渣作用应具备的条件（1）横浇道应呈充满状态：内浇道的截面、位置；（2）流速应尽量低；27（3）横浇道与内浇道的位置关系要正确;a内浇道距离直浇道应足够远，使渣团能上浮到吸动区上部。b有正确的横浇道末端延长段，以容纳初流金属液；吸收液流动能使金属液平稳；防止液流折返。28c封闭式浇注系统的内浇道应位于横浇道的下部，且和横浇道具有同一底面；开放式浇注系统的内浇道应重叠在横浇道之上，且搭接面积要小，但大于内浇道横截面积。e内浇道应远离横浇道的弯道；应尽量使用直的横浇道。内浇道、横浇道连接一般为垂直。d封闭式浇注系统的横浇道应高而窄，内浇道宜扁而宽。29液态金属在横浇道中的流动情况提向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）缓流式浇注系统图缓流式浇注系统1-直浇道2-横浇道3-内浇道液态金属在横浇道中的流动情况2）阻流式（节流式）浇注系统图阻流式浇注系统a）垂直式b）水平式4强化横浇道阻渣的措施(1)在浇注系统中设置筛网芯、过滤网。32(2)设置集渣包是指横浇道上被局部加高加大的部位。作用是收集熔渣，净化金属液。分为：齿形集渣包、离心集渣包。33内浇道的作用：控制充型速度和方向，分配金属，调节铸件各部分的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件进行补缩。1浇口比对浇注过程的影响浇口比指直浇道、横浇道、内浇道横截面积之比，即内浇道为阻流截面时，喷射严重。347.1.5在内浇道中的流动内横直：：SSS2内浇道流量的不均匀性多个内浇道时，一般远离直浇道的内浇道流量最大。35nQqqUminmax36减小内浇道流量的不均匀性的方法a缩小远离直浇道的内浇道的截面积。b增大横浇道的截面积。c严格，每流经一个内浇道，依次减小横浇道的截面积。d设置直浇道窝。3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；a同时凝固：内浇道在薄壁处，数量多且分散分布；b顺序凝固：内浇道开在厚壁或冒口处；c复杂铸件：采用顺序凝固与同时凝固相结合的原则。（2）方向不要冲着细小砂芯、型壁、冷铁和芯撑；（3）内浇道应尽量薄；（4）对薄铸件可用多内浇道的浇注系统实现补缩；（5）内浇道避免开设在铸件品质要求很高的部位；（6）各内浇道中金属液的流向应尽量一致；（7）尽量开在分型面上；（8）对收缩大易裂的合金铸件，内浇道的设置不应阻碍收缩。38砂型浇注系统的充满条件（1）推导在横浇道任一截面r-r和内浇道入口处i-i截面用伯努力方程（2）式中：为r-r至i-i截面间的流动阻力系数若横浇道充满，r-r截面最高点的压力应高于型壁界面的压力；appgpgvhpgpgviirirr)1(2222横ir7.1.6浇注系统的充满理论（3）同理，内浇道最高点处的压力应等于型腔内气体压力，近似等于：（4）将（4）代入（3）：（5）将（2）-（5）：化简：（6）41arrpghpaiipghpirrhgpihgpiirirrhgvhhgv)1(2222横2222(1iriirirvghhhvv）横代入连续流动定律（为r-r截面上流体的截面缩小系数）并应用托利拆里方程（H为浇注系统总压头，μ内浇道的流量系数）得横浇道充满条件：42内横SvSvirrrgHvi2HhhhSSriirr2(1）横横内同理得直浇道的充满条件：传统理论：把液态金属视为理想液体，全部阻力系数等于零，流量系数为1。充满条件为S直S横S内实际情况：液态金属有粘度，流动阻力有较大的影响。S直：S横：S内=1:2.5:2.5时仍呈正压充满状态。43HhhSSziiz2(1）直内1封闭式浇注系统（chokedrunningsystem，pressurizedsystem）概念：在正常浇注条件下，所有组元都能为金属液充满的浇注系统。类型：内浇道阻流、部分扩张（S内/S阻≤1.5-2.5）。优点：阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。缺点：喷溅、冲砂、金属氧化、流动不平稳。应用：不易氧化的各类铸铁件。不宜用于易氧化的轻合金、漏包浇注铸钢件和高大的铸铁件（充型压力很大）。447.2.1封闭式、开放式浇注系统7.2浇注系统的基本类型2开放式浇注系统（unchokedrunningsystem，unpressurizedsystem）概念：金属液不能充满所有组元的的浇注系统。一般S内/S阻≥3优点：进入型腔金属液流速小，平稳，氧化轻。缺点：阻渣效果差，带入气体，金属消耗大。注意：一般阻流设置在直浇道下端或靠直浇道的横浇道上。应用：轻合金、球铁件，漏包浇注铸钢也可采用，但直浇道不能充满