铸造工艺第五章.

第三篇南昌大学机电工程学院铸造工艺学CAI课件EXIT第五章冒口、冷铁和铸肋冒口的种类及补缩原理铸钢件冒口的设计与计算铸铁件实用冒口的设计提高补缩效率措施及特种冒口冷铁铸肋§5-1冒口的种类及补缩原理冒口是在铸型内专门设置的储存金属液的空腔。一、冒口的作用◆补偿铸件凝固时的收缩◆调整铸件凝固时的温度分布，控制铸件的凝固顺序◆排气、集渣◆利用明冒口观察型腔内金属液的充型情况二、冒口的种类1、冒口种类常用冒口种类:顶冒口位于铸件的最高部位，不仅有利于排气，浮渣，也有利于重力补缩，厚大的铸钢件多用用这种冒口补缩侧冒口是由铸件侧面热节处引出的冒口，一般采用暗冒口形式，它有利于机械化造型顶冒口和侧冒口又有明冒口和暗冒口之分常用冒口种类明顶冒口大气压力顶冒口铸件铸件明顶冒口侧冒口压边冒口铸件a）铸钢件冒口b）铸铁件冒口常用冒口的特点：明冒口造型方便，并能通过它观察到型腔内金属液面上升情况，便于在冒口顶面撒发热剂和保温剂，对于厚大铸件还能进行捣动冒口液面和补浇等操作，加强补缩作用明冒口不受砂箱高度限制，必要时可利用冒口圈来保证所要求的高度，其缺点是补缩效率比暗冒口低暗冒口要求砂箱高于冒口，使砂箱体积增大，但它比较灵活，可以靠近铸件热节点开设大型铸件尤其是铸钢件多采用明冒口，而中小型可锻铸铁、球墨铸铁件的冒口以暗冒口为主暗冒口尤其适用于机器造型冒口的形状应使其容量足够大而其相对的散热面积最小（即有足够大的模数），有一定的金属液压头，以达到延长其凝固时间，提高补缩效果的目的2、冒口形状b）球顶圆柱形a）球形c）圆柱形（带斜度）d）腰圆柱形（明）e）腰圆柱形（暗）3、冒口的应用生产中常用圆柱形、球顶圆柱形、腰圆柱形及整圈冒口齿圈、轮形类铸件，常采用腰圆柱形冒口筒、套类件及轮毂部位多采用整圈接长冒口钢锭纵剖面形状对缩孔深度的影响示意图h1、h2、h3—分别表示缩孔的深度三、常用冒口补缩原理（一）基本条件◆冒口凝固时间须大于或等于被补缩部分凝固时间◆有足够的金属液补充铸件收缩所需金属液◆冒口和铸件被补缩部位间须存在补缩通道（二）冒口的位置冒口安放的位置是否合理，直接影响铸件的质量以及冒口的补缩效率冒口位置不合理，不但不能消除缩孔和缩松，还可能引起其它缺陷确定冒口位置的基本原则：冒口应就近放在铸件热节的上方和侧面冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位不同高度冒口的隔离顶明冒口顶明冒口顶明冒口铸件铸件侧暗冒口侧暗冒口外冷铁外冷铁外冷铁a）阶梯型热节b）上下有热节冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位冒口应尽可能放在铸件加工面上，以减少精整工时尽量用一个冒口补缩多个热节，以提高冒口补缩效率避开应力集中点一个冒口补缩几个热节冒口冒口铸件浇道a）补缩同一铸件上的三个热节b）补缩多个铸件上的热节（三）冒口的有效补缩距离1、冒口有效补缩距离板状铸件凝固过程示意图a）、b）等液相线和等固相线移动情况c）中间区凝固区域放大d）凝固结束后的三个区域冒口有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目的依据。影响因素铸件结构合金成分凝固特性冷却条件对铸件质量要求2、铸件冒口补缩范围的确定1）碳钢件的补缩距离铸钢件冒口区长度与铸件尺寸的关系铸钢冒口的补缩距离冒口铸件铸件冒口冒口铸件冒口铸件a)板形件b)杆形件铸钢件末端区长度与铸件尺寸的关系阶梯形铸钢件冒口补缩距离冒口铸件2）灰铸铁件冒口的补缩距离灰铸铁冒口补缩距离和共晶度的关系3、外冷铁对冒口补缩距离的影响外冷铁对冒口补缩距离的影响冒口冷铁冷铁冒口铸件铸件a)板件b)杆件4、补贴的应用水平壁补贴颈模数计算:M补=ab/2(a＋b－c)＝M冒(最小)为实现顺序凝固和增强补缩效果，铸造工艺人员在靠近冒口的铸件壁厚上补加的倾斜的金属块称为补贴。水平补贴a)发热（绝热）材料补贴b)金属材料补贴垂直壁的补贴垂直壁的补贴补贴厚度与铸件高度及厚度关系碳钢钢套类铸件补贴钢套铸件的补缩方案杆状铸件补贴值的补偿系数杆的宽厚比4:13:12:11.5:11.1:1补偿系数1.01.251.51.72.0用滚圆法确定轮缘和轮毂的补贴高合金及低合金钢的补偿系数为：1）底注式碳钢及低合金钢板件为1.252）顶注式高合金钢板件为1.253）底注式高合金钢板件为1.25×1.25=1.5轮缘补贴值的确定：d1=1.05dyd2=1.05d1式中dy——热节圆直径齿轮铸件补贴示例采用发热（保温）补贴注意事项：1）设计冒口时，把发热补贴材料作为金属断面对待2）金属断面须占金属和发热材料总断面的60％齿轮铸件采用的补贴举例§5-2铸钢件冒口的设计与计算冒口设计与计算的一般步骤是：确定冒口的安放位置初步确定冒口的数量划分每个冒口的补缩区域，选择冒口的类型计算冒口的具体尺寸冒口尺寸主要指冒口的根部直径（或宽度）和高度一、模数法1、模数法计算冒口的原理铸钢件冒口、冒口颈、铸件模数应满足的关系明顶冒口：M冒=（1.1～1.2）M件暗侧冒口：M件:M颈:M冒=1:1.1:1.2钢液通过冒口浇注：M件:M颈:M冒=1:(1～1.03):1.2冒口的凝固时间应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间M冒≥M件冒口必须能提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积，使缩孔不致伸入铸件内rercVVVV冒口的补缩效率，具体值见表η=（补缩体积/冒口体积）×100%铸件体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积金属从浇完到凝固完毕的体收缩率，见表冒口种类和工艺措施η（%）冒口种类和工艺措施η（%）圆柱或腰圆柱形冒口球形冒口补浇冒口时12~1515~2015~20浇口通过冒口时发热保温冒口大气压力冒口30~3530~5015~20冒口的补缩效率2、模数法计算冒口的步骤1）计算铸件的模数类型简图计算公式板状体杆状体圆柱体球、立方体、正圆柱体)(2baabM2TM6aM)(2hrrhM4DM类型简图计算公式环形体、空心圆柱体法兰体L形体实心法兰体杆的相交体cbaabM)(2)(2baabM2aM)(2hrrhM)(2cbaabM)(2baabMcbaabM)(2类型简图计算公式板的相交体M=r十形——r=0.68aT形——r=0.62aL形——r=0.56a圆柱与圆盘组合体杆与板的相交体cbaabM)(2)(2cbaabMcbaabM2)(22）计算冒口及冒口颈模数3）确定铸钢的体收缩率εV4）确定冒口的形状和尺寸5）冒口数目的确定6）校核冒口最大补缩能力：V件=V冒（η－εV）/εV二、比例法比例法是在分析、统计大量工艺资料的基础上，总结出的冒口尺寸经验确定法。这种方法就是使冒口的根部直径大于铸件被补缩处热节圆直径或壁厚，再以冒口根部直径来确定其它尺寸。D=cd热节圆直径a)壁厚均匀b)壁面相交普通顶冒口尺寸关系类型H0/dDD1D2hH冒口延伸度（%）应用实例A型55(1.4~1.6)d(1.6~2.0)d(1.5~1.6)D(1.8~2.0)D(2.0~2.5)D35~4030~35车轮、齿轮、联轴器B型1d50(2.0~2.5)d(2.0~2.5)D30~35瓦盖C型55D=D=(1.3~1.5)D(1.4~1.8)D100100D型55(1.5~1.8)d(1.6~2.0)d(1.3~1.5)D1.1D0.3H0.3H(2.0~2.5)D(2.5~3.0)D100制动臂E型55(1.3~1.5)d(1.6~1.8)d(1.1~1.3)D(1.3~1.5)D15~2015~20(2.0~2.5)D(2.5~3.0)D100制动臂三、铸钢件工艺出品率的校核碳钢和低合金钢铸件的工艺成品率组别名称铸件重量/kg大部分铸件壁厚/mm工艺出品率（%）明冒口半球型暗冒口I一般重要的小铸件1002020~505054~6253~6052~5859~6758~6557~63特别重要的小铸件1002020~505052~5851~5750~5657~6356~6255~61冒口重量浇注系统重量铸件重量铸件重量工艺出品率组别名称铸件重量/kg大部分铸件壁厚/mm工艺出品率（%）明冒口半球型暗冒口II一般重要的中等铸件100~1503030~606056~6454~6252~6061~6959~6757~65特别重要的中等铸件100~1503030~606054~6253~6050~5859~6758~6555~63III一般重要的大铸件500~50005050~10010057~6555~6353~6162~7060~6858~66特别重要的大铸件500~50005050~10010055~6353~6151~5960~6858~6656~64组别名称铸件重量/kg大部分铸件壁厚/mm工艺出品率（%）明冒口半球型暗冒口IV一般重要的重型铸件50005050~10010058~6656~6454~6262~7060~6866~68特别重要的重型铸件50005050~10010057~655~6353~6161~6959~6757~65V齿轮100100~50050054~5855~5955~6058~6259~63VI齿圈1000100056~6058~6259~6361~65VII外形或内表面加工的圆筒活塞100061~67§5-3铸铁件冒口的设计与计算一、球墨铸铁件的冒口设计设计法通用（传统）冒口设计：遵循定向凝固原则，依靠冒口的金属液柱重力补偿凝固收缩，冒口和冒口颈迟于铸件凝固，铸件进入共晶膨胀期会把多余的铁水挤回冒口实用冒口设计法：遵循的原则是让冒口和冒口颈先于铸件凝固，利用全部或部分的共晶膨胀量在铸件内部建立压力，实现“自补缩”，使铸件不出现缩孔、缩松缺陷。实用冒口的工艺出品率高，铸件质量好，更实用实用冒口可分为直接实用冒口和控制压力冒口。1、直接实用冒口（又称压力冒口）原理：利用冒口来补缩铸件的液态收缩，而当液态收缩终止或共晶膨胀开始时，冒口颈即行凝固用途：适用于高强度铸型（如干型、自硬型等）生产的模数为0.48～2.5cm的铸件（1）冒口和冒口颈冒口有效体积：是指高于铸件最高点的那一部分的冒口体积，只有这部分金属液才能对铸件起补缩作用◆冒口有效体积依铸件液态收缩体积而定，一般比铸件所需补缩的铁液量大铸铁的ε—t浇曲线ε—液态体收缩率t浇—浇注温度1—CE=4.3%2—CE=3.6%共晶成分的铸铁，冒口有效体积取铸件体积的5%碳当量低的铸件，冒口有效体积取铸件体积的6%◆冒口颈模数M的确定：式中M颈——冒口颈模数（cm）M件——设置冒口部位的铸件模数（cm）t浇——浇注温度（℃）c——铁液比热容，c与铁液温度有关，在1150～1350℃范围内，c为835～963J/(kg·℃)L——铸铁结晶潜热，为（193～247）×103J/kg件浇浇颈℃℃McLttM11501150◆设置冒口部位应满足的条件：当冒口颈凝固时，该部分的石墨化膨胀量能抵偿所有更厚部分液态体收缩量，直到比它厚部分开始体积膨胀为止◆近似地确定冒口颈的模数M颈：M件和M颈的关系图（2）用浇注系统代替直接实用冒口◆对于湿型铸造，铸件模数M件＜0.48的薄壁小型球铁件，可用浇注系统代替冒口图中，超过铸件最高点水平面的浇口盆和直浇道部分实质上就是冒口浇注系统当冒口（阴影部分）浇口盆直浇道内浇道（冒口颈）横浇道铸件（3）直接实用冒口特点主要优点：铸件工艺出品率高冒口位置便于选择，冒口颈可很长冒口便于去除，花费少主要缺点：要求铸型强度高要求严格控制浇注温度范围，保证冒口颈冻结时间准确对于形状复杂的多模数铸件，关键模数不易确定。为了验证冒口颈是否正确，需要进行试验2、控制压力冒口（又称释压冒口）利用部分共晶膨胀量来补偿铸件的凝固收缩浇注结束，冒口补给铸件的液态收缩在共晶膨胀初期，冒口颈畅通，使铸件内部的铁液回填冒口以释放“压力”应用合理的冒口颈尺寸或