1、第一章 液态金属成形过程及控制本章的主要内容为：液态金属充型过程的水力学特性及流动情况；浇注系统及设计；液态金属凝固收缩过程的工艺分析；冒口和冷铁和设计。即让学生了解和掌握液态金属铸造成形的两个基本过程充型和凝固对铸件质量的影响规律，并提出其控制方案和措施。本章的重点：(1)、充型过程及其控制；(2)、凝固过程及其控制。引言铸造的定义：让金属液流入并凝固在预先制备的铸型中，获得特定形状的毛坯或零件(铸件)的方法或技术。铸造成形的基本过程是充型和凝固：充型的主要目的：使金属液充满铸型，从而实现对型腔形状、尺寸以及表面的复制。充型的有效性：是否能够充满型腔；充型的平稳性：是否卷入气体或杂质；充型的
2、顺序性：调整充填后的温度分布。凝固的主要目的：使不具备机械性能的液相转变为具备特定机械性能的固相。凝固的速度：晶粒大小及形态；凝固的顺序：是否有助于补缩；凝固末期的温度场：应力大小及分布、变形、热裂的产生与控制第一节 液态金属充型过程的水力学特性及流动情况充 型 过 程 对 铸 件 质 量 的 影 响 很 大 可 能 造 成 的 各 种 缺 陷 ， 如 冷 隔 、 浇 不 足 、 夹 杂 、 气孔 、 夹 砂 、 粘 砂 等 缺 陷 ， 都 是 在 液 态 金 属 充 型 不 利 的 情 况 下 产 生 的 。 正 确 地 设 计 浇 注 系统 使 液 态 金 属 平 稳 而 又 合 理 地
3、充 满 型 腔 ， 对 保 证 铸 件 质 量 起 着 很 重 要 的 作 用 。一、液态金属充型流动过程的水力学特性目 前 在 实 际 铸 造 生 产 中 ， 砂 型 仍 占 相 当 大 的 分 量 ， 而 液 态 金 属 在 砂 型 中 流 动 时 呈 现出 如 下 水 力 学 特 性 ：1. 粘 性 流 体 流 动 ：液 态 金 属 是 有 粘 性 的 流 体 。 液 态 金 属 的 粘 性 与 其 成 分 有 关 ， 在 流 动 过 程 中 又 随 液 态金 属 温 度 的 降 低 而 不 断 增 大 ， 当 液 态 金 属 中 出 现 晶 体 时 ， 液 体 的 粘 度 急 剧 增
4、加 ， 其 流 速和 流 态 也 会 发 生 急 剧 变 化 。2. 不 稳 定 流 动 ：在 充 型 过 程 中 液 态 金 属 温 度 不 断 降 低 而 铸 型 温 度 不 断 增 高 ， 两 者 之 间 的 热 交 换 呈 不稳 定 状 态 。 随 着 液 流 温 度 下 降 ， 粘 度 增 加 ， 流 动 阻 力 也 随 之 增 加 ； 加 之 充 型 过 程 中 液 流的 压 头 增 加 或 和 减 少 ， 液 态 金 属 的 流 速 和 流 态 也 不 断 变 化 ， 导 致 液 态 金 属 在 充 填 铸 型 过程 中 的 不 稳 定 流 动 。3. 多 孔 管 中 流 动 ：
5、由 于 砂 型 具 有 一 定 的 孔 隙 ， 可 以 把 砂 型 中 的 浇 注 系 统 和 型 腔 看 作 是 多 孔 的 管 道 和 容器 。 液 态 金 属 在 “多 孔 管 ”中 流 动 时 ， 往 往 不 能 很 好 地 贴 附 于 管 壁 ， 此 时 可 能 将 外 界 气体 卷 入 液 流 ， 形 成 气 孔 或 引 起 金 属 液 的 氧 化 而 形 成 氧 化 夹 渣 。4. 紊 流 流 动 ：生 产 实 践 中 的 测 试 和 计 算 证 明 ， 液 态 金 属 在 浇 注 系 统 中 流 动 时 ， 其 雷 诺 数 Re 大 于临 界 雷 诺 数 Re 临 ， 属 于
6、紊 流 流 动 。 例 如 ZL104 合 金 在 670 浇 注 时 ， 液 流 在 直 径 为20mm 的 直 浇 道 中 以 50cm/s 的 速 度 流 动 时 ， 其 雷 诺 数 为 25000， 远 大 于 2300 的 临 界 雷诺 数 。 对 一 些 水 平 浇 注 的 薄 壁 铸 件 或 厚 大 铸 件 的 充 型 ， 液 流 上 升 速 度 很 慢 ， 也 有 可 能 得到 层 流 流 动 。轻 合 金 优 质 铸 件 浇 注 系 统 的 研 究 表 明 ， 当 Re 20000 时 ， 液 流 表 面 的 氧 化 膜 不 会 破碎 ， 如 果 将 雷 诺 数 控 制 在
7、4000 10000， 就 可 以 符 合 生 产 铝 合 金 和 镁 合 金 优 质 铸 件 的 要求 。 有 人 通 过 水 力 模 拟 和 铝 合 金 铸 件 的 实 浇 试 验 证 明 ： 允 许 的 最 大 雷 诺 数 ， 在 直 浇 道 内应 不 超 过 10000， 横 浇 道 内 不 超 过 7000， 内 浇 道 内 不 超 过 1100， 型 腔 内 不 超 过 280。综 上 分 析 ， 影 响 金 属 液 流 动 的 平 稳 性 的 主 要 因 素 是 金 属 液 的 流 动 速 度 和 浇 注 系 统 的形 状 及 截 面 尺 寸 。 为 此 ， 有 必 要 研 究
8、液 态 金 属 在 浇 注 系 统 中 的 流 动 情 况 。二、液态金属在浇注系统中的流动情况浇 注 系 统 是 液 态 金 属 流 入 型 腔 的 通 道 ， 通 常 由 浇 口 杯 、 直 浇 道 、 横 浇 道 、 内 浇 道 等单 元 组 成 （ 图 1-1 浇 注 系 统 的 基 本 形 式 ） 。 分 析 液 态 金 属 在 浇 注 系 统 中 的 流 动 规 律 、 对 正确 地 设 计 浇 注 系 统 有 重 要 的 作 用 。1. 液 态 金 属 在 浇 口 杯 中 的 流 动 情 况1)、 浇 口 杯 的 作 用 ： 承 接 来 自 浇 包 的 金 属 液 ， 防 止 金
9、 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 。2)、 浇 口 杯 的 结 构 形 状 分 类 ： 漏 斗 形 、 池 形 。漏 斗 形 浇 口 杯 结 构 简 单 ， 挡 渣 作 用 差 ， 由 于 金 属 液 易 产 生 绕 垂 直 轴 旋 转 的 涡 流 ， 易于 卷 入 气 体 和 熔 渣 ， 因 此 这 种 浇 口 杯 仅 适 用 于 对 挡 渣 要 求 不 高 的 砂 型 铸 造 及 金 属 型 铸 造的 小 型 铸 件 。池 形 浇 口 杯
10、 效 果 较 好 ， 底 部 设 置 凸 起 有 利 于 浇 注 操 作 ， 使 金 属 液 的 浇 注 速 度 达 到 适宜 的 大 小 后 再 流 入 直 浇 道 。 这 样 浇 口 杯 内 液 体 深 度 大 ， 可 阻 止 垂 直 轴 旋 转 的 水 平 旋 涡 的形 成 ， 从 而 有 利 于 分 离 渣 滓 和 气 泡 。3)、 浇 口 杯 内 一 旦 出 现 水 平 旋 涡 会 带 入 渣 滓 和 气 体 ， 必 须 注 意 防 止 。漩 涡 产 生 的 原 因 ：当 合 金 液 从 各 个 方 向 流 入 直 浇 道 时 ， 各 向 流 量 不 均 衡 ， 某 一 流 股 的
11、流 向 偏 离 直 浇 道中 心 ， 就 会 形 成 水 平 涡 流 。 根 据 水 力 学 原 理 ， 水 平 涡 流 愈 靠 近 中 心 部 位 压 力 愈 低 ， 液 面愈 低 ， 这 样 浮 在 液 面 上 的 渣 滓 会 沿 着 弯 曲 的 液 面 ， 一 面 旋 转 ， 一 面 和 空 气 一 同 进 入 直 浇道 ， 就 有 可 能 形 成 氧 化 夹 渣 等 铸 造 缺 陷 。浇 口 杯 内 金 属 液 的 高 度 对 漩 涡 产 生 的 影 响 ：水 力 模 拟 试 验 表 明 ， 影 响 浇 口 杯 内 水 平 旋 涡 的 主 要 因 素 是 浇 口 杯 内 液 面 的 深
12、 度 ， 其次 是 浇 注 高 度 ， 浇 注 方 向 及 浇 口 杯 的 结 构 等 。 浇 口 杯 内 合 金 液 面 深 度 和 浇 注 高 度 的 影 响如 图 1-2 所 示 。 液 面 深 度 大 时 不 易 出 现 水 平 旋 涡 （ 图 1-2a） ， 液 面 浅 时 易 出 现 水 平 旋 涡（ 图 中 b） 。 浇 包 嘴 距 浇 口 杯 越 高 ， 水 平 旋 涡 越 易 于 产 生 （ 图 c） 。 液 面 浅 和 浇 注 高 度 大时 ， 偏 离 直 浇 道 中 心 的 水 平 流 速 较 高 ， 因 而 易 出 现 水 平 旋 涡 。 （ 图 1-2 液 面 深 度
13、 和 浇 注高 度 的 影 响 ）使 用 浇 口 塞 抑 制 漩 涡 的 产 生 ：为 了 减 轻 和 消 除 水 平 旋 涡 ， 对 于 重 要 的 中 、 大 型 铸 件 ， 常 用 带 浇 口 塞 的 浇 口 杯 （ 图1-2） 。 先 用 浇 口 塞 堵 住 浇 口 杯 的 流 出 口 ， 然 后 进 行 浇 注 ， 当 浇 口 杯 被 充 填 到 一 定 高 度 ，熔 渣 已 浮 起 时 ， 才 拔 起 浇 口 塞 ， 使 合 金 液 开 始 流 入 直 浇 道 。 浇 口 塞 可 用 耐 火 材 料 或 铸 铁材 料 制 成 ， 其 结 构 应 能 保 证 拔 起 浇 口 塞 时
14、不 产 生 涡 流 。 有 时 也 用 一 金 属 薄 片 盖 住 浇 口 杯的 流 出 口 ， 当 浇 口 杯 被 充 填 到 一 定 的 高 度 时 ， 金 属 薄 片 受 热 熔 化 ， 浇 口 杯 的 流 出 口 就 被打 开 。 为 了 有 利 于 熔 渣 上 浮 到 液 面 ， 浇 口 杯 应 有 一 定 的 高 度 ， 并 将 浇 口 杯 与 直 浇 道 相 连的 边 缘 作 成 凸 起 状 以 促 使 浇 口 杯 中 液 流 形 成 垂 直 旋 涡 。 垂 直 旋 涡 能 促 使 熔 渣 和 气 泡 浮 至液 面 ， 对 挡 渣 和 分 离 冲 入 的 气 泡 有 利 。2.
15、液 态 金 属 在 直 浇 道 中 的 流 动 情 况1)、 直 浇 道 的 作 用 ： 将 来 自 浇 口 杯 的 液 流 引 入 横 浇 道 、 内 浇 道 或 直 接 进 入 型 腔 。通 过 调 整 直 浇 道 的 高 度 ， 可 获 得 足 够 的 压 头 以 保 证 金 属 液 能 克 服 沿 程 阻 力 损 失 ， 在规 定 的 时 间 内 以 适 当 的 速 度 充 满 型 腔 。直 浇 道 越 高 ， 则 压 头 越 大 ， 金 属 液 进 入 型 腔 的 速 度 越 快 ， 对 充 满 薄 壁 铸 件 有 利 ， 但同 时 对 铸 型 的 冲 击 也 愈 大 。2)、 液
16、态 金 属 在 直 浇 道 中 的 流 动 特 征 ：负 压 、 离 壁 ， 容 易 吸 入 空 气 ；控 制 方 法 ： 增 大 流 动 阻 力 、 降 低 流 动 速 度 、 减 小 直 浇 道 尺 寸 。过 去 不 少 资 料 认 为 液 态 金 属 在 直 浇 道 中 流 动 时 ， 会 呈 负 压 状 态 ， 出 现 吸 气 现 象 。 对液 态 金 属 在 直 浇 道 中 的 流 动 状 态 进 行 理 论 分 析 和 水 力 模 拟 试 验 证 明 ， 对 只 有 浇 口 杯 和 直浇 道 组 成 的 浇 注 系 统 、 直 浇 道 上 口 为 尖 角 ， 浇 道 截 面 为 等
17、 截 面 时 ， 会 出 现 液 流 离 壁 现 象且 有 一 定 的 负 压 存 在 。对 液 态 金 属 在 砂 型 直 浇 道 中 的 流 动 状 态 进 行 模 拟 试 验 和 摄 影 观 察 还 得 出 ： 液 态 金 属在 直 浇 道 中 存 在 充 满 式 流 动 和 非 充 满 式 流 动 。 在 等 截 面 的 圆 柱 形 和 上 小 下 大 的 倒 锥 形 直浇 道 中 液 流 呈 非 充 满 状 态 。 在 非 充 满 的 直 浇 道 中 ， 流 股 自 上 而 下 呈 渐 缩 形 ， 流 股 表 面 压力 接 近 大 气 压 力 ， 微 呈 正 压 。 流 股 表 面
18、会 带 动 表 层 气 体 向 下 运 动 ， 并 能 冲 入 型 内 上 升 的金 属 液 内 。 而 在 上 大 下 小 的 锥 形 直 浇 道 中 液 流 呈 充 满 状 态 ， 无 负 压 和 吸 气 现 象 。 直 浇 道入 口 形 状 对 液 流 流 态 影 响 较 大 ， 当 入 口 为 尖 角 时 ， 增 加 了 流 动 阻 力 和 断 面 收 缩 率 ， 常 导致 非 充 满 式 流 动 。 要 使 直 浇 道 呈 充 满 状 态 ， 要 求 入 口 处 圆 角 半 径 r d/4（ d 为 直 浇 道 上口 直 径 ） 。 实 际 生 产 中 常 用 的 直 浇 道 结 构
19、 形 式 见 图 13。 图 中 a 型 直 浇 道 制 造 方 便 ， 应用 广 泛 。 对 于 极 易 氧 化 的 铝 、 镁 合 金 铸 件 ， 为 了 增 大 阻 力 降 低 流 速 ， 也 可 采 用 b、 c、 d所 示 的 直 浇 道 。 常 用 直 浇 道 都 存 在 各 种 局 部 阻 力 ， 只 要 合 理 选 用 浇 注 系 统 的 结 构 形 式 ，就 不 会 出 现 离 壁 和 负 压 现 象 。 （ 图 1-3 砂 型 铸 造 用 直 浇 道 形 式 及 常 用 断 面 形 状 ）3)、 浇 口 窝 的 作 用 有 ：缓 冲 作 用 。液 流 下 落 的 动 能 有
20、 相 当 大 的 一 部 分 被 窝 内 液 体 吸 收 而 转 变 为 压 力 能 ， 再 由 压 力 能 转化 为 水 平 速 度 流 向 横 浇 道 ， 从 而 减 轻 了 对 直 流 道 底 部 铸 型 的 冲 刷 。缩 短 拐 弯 处 的 高 度 紊 流 区 。浇 口 窝 可 缩 短 高 速 紊 流 区 （ 过 渡 区 ） ， 也 改 善 了 横 浇 道 内 的 压 力 分 布 （ 图 14） ，压 力 分 布 特 性 说 明 过 渡 区 的 存 在 。 这 对 减 轻 金 属 氧 化 、 阻 渣 和 减 少 卷 入 气 体 都 有 利 。 当内 浇 道 距 直 浇 道 较 近 时
21、， 应 采 用 浇 口 窝 。改 善 内 浇 道 的 流 量 分 布 。设 置 浇 口 窝 ， 有 利 于 内 浇 道 流 量 分 布 的 均 匀 化 ， 例 如 在 F 直 F 横 F 内=1 2.5 5 的 试 验 条 件 下 ， 无 浇 口 窝 时 ， 两 等 断 面 的 内 浇 道 的 流 量 分 配 为 31.5%（ 近 直浇 道 者 ） 和 68.5%（ 远 者 ） ； 而 有 直 浇 道 窝 时 流 量 分 配 为 40.5%（ 近 者 ） 和 59.5%（ 远 者 ）。减 少 浇 道 拐 弯 处 的 局 部 阻 力 系 数 和 水 头 损 失 。3 液 态 金 属 在 横 浇
22、道 中 的 流 动 情 况1） 、 横 浇 道 是 连 接 直 浇 道 和 内 浇 道 的 中 间 通 道 ， 它 的 功 用 主 要 有 稳 流 、 分 配 液 流 和挡 渣 三 个 方 面 。2） 、 横 浇 道 的 稳 流 作 用 及 其 实 现液 流 从 直 浇 道 落 下 时 ， 速 度 大 不 平 稳 ， 而 经 过 浇 口 窝 进 入 横 浇 道 后 ， 液 流 转 向 并 趋于 平 稳 。3） 、 横 浇 道 的 流 量 分 配 作 用 及 其 实 现液 流 充 满 横 浇 道 的 同 时 ， 即 由 横 浇 道 分 配 给 各 个 内 浇 道 。 同 一 横 浇 道 上 有
23、多 个 等 断面 的 内 浇 道 时 ， 各 内 浇 道 的 流 量 不 等 。 一 般 条 件 下 远 离 直 浇 道 的 流 量 大 ， 近 直 浇 道 的 流量 小 。 各 内 浇 道 的 流 量 主 要 取 决 于 合 金 液 柱 的 高 度 、 横 浇 道 的 长 度 、 内 浇 道 在 横 浇 道 上的 位 置 以 及 各 浇 道 断 面 积 之 比 。 （ 图 1-5 浇 注 系 统 结 构 形 式 对 流 量 不 均 匀 性 的 影 响 ）4） 、 横 浇 道 的 挡 渣 作 用 及 其 实 现横 浇 道 是 浇 注 系 统 的 主 要 挡 渣 单 元 ， 其 挡 渣 作 用
24、与 熔 渣 特 性 、 横 浇 道 本 身 结 构 、 各浇 道 的 相 互 配 置 关 系 有 关 。在 横 浇 道 中 采 取 重 力 分 离 除 渣 原 理 如 图 1-6 所 示 （ 图 1-6 横 浇 道 挡 渣 原 理 图 ） 。 随合 金 液 进 入 横 浇 道 的 杂 质 ， 其 运 动 受 两 个 速 度 的 作 用 ， 即 随 液 流 向 前 运 动 的 速 度 横和 由 于 密 度 差 引 起 的 上 浮 或 下 沉 速 度 浮 ， 最 后 杂 质 以 两 者 的 合 速 度 合 向 前 上 方 运动 。 横 浇 道 的 挡 渣 设 计 ， 则 应 使 杂 质 在 合 金
25、 液 流 入 内 浇 道 之 间 就 上 浮 到 合 金 液 的 表 面 。在 横 浇 道 中 渣 的 上 浮 速 度 受 流 态 影 响 比 较 复 杂 ，影 响 上 浮 速 度 和 横 浇 道 挡 渣 作 用 的 主 要 因 素 有 ： 、 杂 质 与 合 金 液 的 密 度 差 越 大 ， 渣 子 越 易 上 浮 除 去 。 、 渣 团 半 径 R 越 大 ， 渣 子 上 浮 速 度 越 大 ， 越 易 除 去 。 、 合 金 液 在 横 浇 道 中 的 流 动 速 度 横 越 大 ， 液 流 在 横 浇 道 中 的 紊 流 程 度 越 大 ， 杂质 上 浮 所 遇 到 的 干 扰 越
26、大 。 当 横 达 到 一 定 程 度 时 ， 杂 质 就 浮 不 上 来 ， 而 始 终 悬 浮 在 液流 中 ， 此 时 的 横 临 界 速 度 称 为 悬 浮 速 度 。 、 合 金 液 的 粘 度 越 大 ， 则 渣 团 上 浮 越 慢 ， 越 难 除 去 夹 杂 。根 据 以 上 对 横 浇 道 挡 渣 作 用 原 理 的 分 析 ， 为 强 化 挡 渣 作 用 ， 在 设 计 横 浇 道 时 常 采 用以 下 措 施 ： 、 降 低 合 金 液 在 横 浇 道 的 流 动 速 度 。 为 此 ， 在 实 际 生 产 中 常 采 用 增 加 横 浇 道 的 水力 学 阻 力 的 措
27、施 ， 例 如 采 用 搭 接 式 横 浇 道 或 双 重 横 浇 道 （ 图 1-7） 。 采 用 扩 张 式 浇 注 系 统 、增 大 横 浇 道 的 截 面 积 也 有 利 于 降 低 横 。 横 浇 道 应 呈 充 满 状 态 ， 这 样 有 利 于 使 渣 团 上 浮 到 横 浇 道 顶 部 而 不 进 入 内 浇 道 。 减小 浇 注 系 统 的 扩 张 程 度 ， 采 用 底 注 式 浇 注 系 统 等 措 施 均 有 利 于 使 横 浇 道 呈 充 满 状 态 。 内 浇 道 的 位 置 关 系 要 正 确 。 内 浇 道 距 直 浇 道 应 有 一 定 距 离 ， 使 渣 团
28、 能 浮 上 横 浇 道顶 部 而 不 进 入 内 浇 道 。 横 浇 道 末 端 应 有 一 定 的 延 长 段 ， 以 容 纳 最 初 进 入 横 浇 道 的 低 温 、含 气 及 有 夹 杂 的 金 属 液 ， 还 可 在 末 端 设 置 集 渣 包 。 在 横 浇 道 上 设 置 过 滤 网 以 滤 除 渣 团 ， 如 图 1-7（ a） 所 示 。 在 横 浇 道 上 设 置 集 渣 槽 是 常 用 的 除 渣 措 施 ， 而 在 铸 铁 件 生 产 中 则 常 用 带 有 离 心 集渣 包 的 浇 注 系 统 。 金 属 流 入 集 渣 包 因 断 面 积 突 然 增 大 ， 流
29、速 降 低 并 在 集 渣 包 内 产 生 旋 涡 ，使 密 度 较 小 的 渣 团 向 旋 涡 中 心 集 中 并 浮 起 。5） 、 横 浇 道 的 结 构 形 状横 浇 道 的 断 面 形 状 ， 可 有 圆 形 、 半 圆 形 、 梯 形 等 多 种 形 式 。 以 圆 形 的 热 损 失 最 小 和流 动 最 平 稳 ， 但 造 型 工 艺 较 复 杂 。 为 了 使 直 浇 道 与 横 浇 道 和 内 浇 道 连 接 方 便 和 造 型 工 艺简 单 ， 一 般 都 采 用 高 度 大 于 宽 度 （ 高 宽 1.2 1.5） 的 梯 形 断 面 的 横 浇 道 。4 液 态 金
30、属 在 内 浇 道 中 的 流 动 情 况 1） 、 内 浇 道 的 作 用 ： 把 液 体 金 属 引 入 型 腔 的 最 终 单 元 ， 其 功 用 是 控 制 充 型 速 度 和 方向 ， 分 配 液 态 金 属 。可 同 时 调 节 铸 件 各 部 位 的 温 度 分 布 和 凝 固 次 序 ， 并 对 铸 件 有 一 定 的 补 缩 作 用 。 因 此内 浇 道 的 位 置 、 数 量 、 尺 寸 大 小 等 对 铸 件 的 质 量 有 很 大 的 影 响 。2） 、 内 浇 道 与 横 浇 道 的 相 对 位 置 是 否 正 确 ， 对 浇 注 系 统 的 稳 流 和 挡 渣 作
31、用 影 响 极 大 。为 了 浮 渣 和 挡 渣 ， 第 一 个 内 浇 道 不 要 离 直 浇 道 太 近 ， 最 后 一 个 内 浇 道 距 横 浇 道 末 端 要 有一 定 距 离 。 而 在 高 度 方 向 上 ， 内 浇 道 一 般 应 置 于 横 浇 道 的 中 部 ， 其 底 面 与 横 浇 道 的 底 面平 齐 。3） 、 内 浇 道 与 铸 件 的 相 对 位 置 和 内 浇 口 数 量 的 选 择 应 服 从 所 选 定 的 凝 固 顺 序 和 补 缩方 式 。 为 使 铸 件 实 现 同 时 凝 固 ， 对 壁 厚 不 太 均 匀 的 铸 件 ， 内 浇 道 应 开 设
32、在 薄 壁 处 ； 对 壁厚 均 匀 的 铸 件 则 应 开 设 较 多 的 内 浇 道 ， 并 且 分 散 、 均 匀 地 分 布 。 为 使 铸 件 实 现 顺 序 凝 固 ，内 浇 口 应 设 在 有 冒 口 的 厚 壁 处 ， 最 好 是 通 过 冒 口 进 入 型 腔 ， 使 冒 口 的 温 度 较 高 ， 使 厚 大部 位 得 到 补 缩 。 对 于 较 高 大 的 铸 件 ， 则 应 首 先 保 证 铸 件 自 下 而 上 的 顺 序 凝 固 ， 水 平 方 向上 同 时 凝 固 ， 内 浇 道 位 置 应 尽 可 能 使 水 平 方 向 的 温 度 分 布 均 匀 ， 通 常
33、把 内 浇 道 均 匀 地 设置 在 铸 件 的 薄 壁 处 ， 在 厚 壁 部 位 放 置 冷 铁 。4） 、 液 流 不 要 正 对 着 冲 击 细 小 砂 芯 和 型 壁 ， 以 避 免 因 飞 溅 、 涡 流 等 使 铸 件 产 生 氧 化夹 渣 、 气 孔 和 夹 砂 等 缺 陷 。 导 入 位 置 应 选 择 沿 着 型 壁 方 向 ， 必 要 时 切 向 引 入 ， 使 金 属 液快 速 、 平 稳 而 均 匀 地 充 满 型 腔 。5） 、 应 仔 细 分 析 液 流 在 型 腔 中 的 流 动 情 况 ， 其 开 设 位 置 应 使 金 属 液 在 型 腔 中 流 程 尽量
34、短 。6） 、 内 浇 道 位 置 最 好 选 择 在 铸 件 平 面 或 凸 出 部 位 ， 以 利 于 铸 件 的 清 理 和 打 磨 。7） 、 内 浇 道 的 形 状 多 为 扁 矩 形 。 其 宽 度 和 厚 度 之 比 应 按 铸 件 壁 厚 和 所 要 求 的 凝 固 形式 而 定 。 一 般 情 况 下 ， 尽 量 采 用 薄 的 内 浇 道 ， 其 厚 度 为 铸 件 壁 厚 的 1/2 2/3。 在 铝 、 镁合 金 铸 件 生 产 中 ， 对 某 些 局 部 厚 大 部 位 ， 需 要 内 浇 道 直 接 起 补 缩 作 用 ， 内 浇 道 结 构 形 状及 厚 度 则
35、不 受 此 限 制 。5 液 态 金 属 通 过 过 滤 装 置 的 流 动 情 况在 浇 注 系 统 中 常 用 的 过 滤 方 法 有 ：1） 、 过 滤 网 过 滤 铸 造 生 产 中 常 使 用 的 过 滤 网 是 将 耐 热 纤 维 织 成 的 过 滤 网 布 （ 网 眼尺 寸 为 22mm） ， 用 数 层 叠 放 在 横 浇 道 的 搭 接 面 上 。 而 在 铝 、 镁 合 金 铸 件 生 产 中 也 常 使用 厚 度 为 0.2 0.5mm 的 钢 片 冲 制 而 成 的 过 滤 网 ， 过 滤 网 可 将 大 部 分 杂 质 阻 留 于 过 滤 网 前 。同 时 由 于 液
36、 流 通 过 网 孔 时 遇 到 过 滤 网 的 阻 力 和 断 面 突 然 扩 大 ， 使 流 动 速 度 降 低 ， 也 有 利于 使 一 部 分 已 挤 过 网 孔 的 气 泡 和 杂 质 上 浮 而 阻 留 于 过 滤 网 背 后 的 浇 道 中 。 过 滤 网 的 放 置对 挡 渣 效 果 影 响 很 大 ， 一 般 过 滤 网 有 如 图 18 所 示 的 几 种 放 置 位 置 。为 了 避 免 减 少 浇 道 的 有 效 截 面 积 ， 安 置 过 滤 网 处 的 浇 道 应 局 部 放 大 。 浇 道 截 面 积 局部 放 大 程 度 ， 可 用 下 式 计 算 ：（ 11）
37、式 中 ， F 扩 为 浇 道 扩 大 部 分 的 截 面 积 ； F 原 为 浇 道 原 来 的 截 面 积 ； a 为 过 滤 网 的 孔洞 率 ； b 为 过 滤 网 的 通 过 效 率 ， 孔 小 而 密 的 过 滤 网 ， b=90%， 孔 大 而 稀 的 过 滤 网b=80%。2） 、 过 滤 片 过 滤 国 内 外 近 年 来 采 用 泡 沫 陶 瓷 过 滤 片 滤 除 合 金 液 中 的 杂 质 ， 对 滤 除非 金 属 夹 杂 物 效 果 很 好 ， 当 采 用 细 孔 泡 沫 陶 瓷 时 ， 甚 至 可 以 滤 除 1 m 的 夹 杂 物 。 过 滤片 孔 隙 尺 寸 越
38、小 ， 厚 度 越 大 ， 过 滤 压 力 越 小 ， 效 果 就 越 明 显 。泡 沫 陶 瓷 过 滤 片 适 用 于 多 种 铸 造 方 法 ， 如 砂 型 铸 造 、 金 属 型 铸 造 和 低 压 铸 造 等 。 过滤 片 通 过 以 图 1-9 所 示 的 两 种 方 式 安 放 在 浇 注 系 统 中 的 各 个 部 位 。 金 属 液 流 经 过 滤 片 时 ，增 加 了 局 部 阻 力 。 为 了 保 证 一 定 的 充 型 速 度 ， 应 将 放 置 过 滤 片 处 的 截 面 积 扩 大 或 增 加 直浇 道 的 高 度 以 提 高 静 压 头 。（ 图 1-9 泡 沫 陶
39、 瓷 过 滤 片 在 浇 注 系 统 中 的 放 置 位 置 ）第二节 浇注系统的设计一 、 浇 注 系 统 的 类 型 及 应 用浇 注 系 统 类 型 的 选 择 是 正 确 设 计 浇 注 系 统 的 重 要 问 题 之 一 。 它 与 铸 件 的 合 金 成 分 、结 构 、 大 小 、 技 术 要 求 和 生 产 要 求 有 关 。1 按 液 态 金 属 导 入 铸 件 型 腔 的 位 置 分 类1） 、 顶 注 式 （ 又 称 上 注 式 ） 浇 注 系 统 、 定 义 ： 金 属 液 从 铸 件 型 腔 顶 部 引 入 的 浇 注 系 统 称 为 顶 注 式 浇 注 系 统 。
40、图 1-10。 、 优 点 ：液 态 金 属 从 铸 型 型 腔 顶 部 引 入 ， 在 浇 注 和 凝 固 过 程 中 ， 铸 件 上 部 的 温 度 高 于 下 部 ，有 利 于 铸 件 自 下 而 上 顺 序 凝 固 ， 能 够 有 效 地 发 挥 顶 部 冒 口 的 补 缩 作 用 。液 流 流 量 大 ， 充 型 时 间 短 ， 充 型 能 力 强 。造 型 工 艺 简 单 ， 模 具 制 造 方 便 ， 浇 注 系 统 和 冒 口 消 耗 金 属 少 ， 浇 注 系 统 切 割 清 理 容易 。 、 缺 点 ：液 体 金 属 进 入 型 腔 后 ， 从 高 处 落 下 ， 对 铸
41、型 冲 击 大 ， 容 易 导 致 液 态 金 属 的 飞 溅 、 氧化 和 卷 入 气 体 ， 形 成 氧 化 夹 渣 和 气 孔 缺 陷 。 、 适 用 范 围 ：质 量 不 大 、 高 度 不 高 、 形 状 简 单 的 中 小 铸 件 ，铝 合 金 和 镁 合 金 铸 件 在 使 用 顶 注 式 浇 注 系 统 时 必 须 考 虑 液 流 在 型 腔 内 下 落 高 度 不 能太 大 。2） 、 底 注 式 （ 又 称 下 注 式 ） 浇 注 系 统 、 定 义 ： 内 浇 道 设 在 铸 件 底 部 的 称 为 底 注 式 浇 注 系 统 。 图 1-11 、 优 点 ：合 金 液
42、从 下 部 充 填 型 腔 ， 流 动 平 稳 。无 论 浇 道 比 多 大 ， 横 浇 道 基 本 处 于 充 满 状 态 ， 有 利 于 挡 渣 。 、 缺 点 ：充 型 后 铸 件 的 温 度 分 布 不 利 于 自 下 而 上 的 顺 序 凝 固 ， 削 弱 了 顶 部 冒 口 的 补 缩 作 用 。铸 件 底 部 尤 其 是 内 浇 道 附 近 容 易 过 热 ， 使 铸 件 产 生 缩 松 、 缩 孔 、 晶 粒 粗 大 等 缺 陷 。充 型 能 力 较 差 ， 对 大 型 薄 壁 铸 件 容 易 产 生 冷 隔 和 浇 不 足 的 缺 陷 。造 型 工 艺 复 杂 ， 金 属 消
43、 耗 量 大 。 、 适 用 范 围 ：底 注 式 浇 注 系 统 广 泛 应 用 于 铝 镁 合 金 铸 件 的 生 产 ， 也 适 用 于 形 状 复 杂 ， 要 求 高 的 各种 黑 色 铸 件 。（ 图 1-11 底 注 式 浇 注 系 统 ）3） 、 中 注 式 浇 注 系 统 、 定 义 ： 液 态 金 属 引 入 位 置 介 于 顶 注 和 底 注 之 间 。 图 1-12 、 其 优 、 缺 点 也 介 于 顶 注 与 底 注 之 间 。 、 适 用 范 围 ： 普 遍 应 用 于 高 度 不 大 、 水 平 尺 寸 较 大 的 中 小 型 铸 件 ， 在 铸 件 质 量 要求
44、 较 高 时 ， 仍 应 控 制 合 金 液 的 下 落 高 度 即 下 半 型 腔 的 深 度 。采 用 机 器 造 型 生 产 铸 件 时 ， 广 泛 使 用 中 注 式 浇 注 系 统 。 此 时 多 采 用 两 箱 造 型 ， 内 浇道 开 在 分 型 面 上 ， 工 艺 简 单 ， 操 作 容 易 。 （ 图 1-12 中 间 注 式 浇 注 系 统 ）4） 、 阶梯式浇注系统 、 定 义 ： 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。图 1-13 、 优 点 ：金属液自下而上充型，充型平稳，型腔内气体排出顺利。充型后上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的补缩。充型
45、能力强，易避免冷隔和浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。 、 缺 点 ：造 型 复 杂 ， 有 时 要 求 几 个 分 型 面 ， 要 求 正 确 的 计 算 和 结 构 设 计 ， 否 则 容 易 出 现 上 下各 层 内 浇 道 同 时 进 入 金 属 液 的 “乱 浇 ”现 象 ， 或 底 层 进 入 金 属 液 过 多 ， 形 成 下 部 温 度 高的 不 理 想 的 温 度 分 布 。 、 适 用 范 围 ： 阶 梯 式 浇 注 系 统 适 用 于 高 度 大 的 大 中 型 铸 钢 件 、 铸 铁 件 。在 铝 合 金 、 镁 合 金 铸 造 生 产 中
46、 为 了 提 高 顶 部 冒 口 中 金 属 液 的 温 度 ， 增 强 补 缩 作 用 ，也 可 采 用 两 层 阶 梯 式 浇 注 系 统 （ 即 底 层 充 填 铸 件 ， 上 层 充 填 冒 口 ） 。5） 、 缝 隙 式 浇 注 系 统 、 定 义 ： 合 金 液 由 下 而 上 沿 着 整 个 铸 件 高 度 开 设 的 垂 直 缝 隙 状 内 浇 道 ， 平 稳 地 进入 型 腔 ， 这 种 浇 注 系 统 称 为 缝 隙 式 浇 注 系 统 。 图 1-14 、 优 点 ： 充 型 过 程 十 分 平 稳 ， 有 利 于 铸 件 自 下 而 上 的 顺 序 凝 固液 流 充 型
47、 过 程 十 分 平 稳 ， 不 仅 不 会 产 生 新 的 氧 化 夹 渣 ， 而 且 有 利 于 熔 渣 上 浮 于 立 筒和 铸 件 顶 部 的 冒 口 中 。在 理 想 情 况 下 ， 由 缝 隙 进 入 型 腔 的 金 属 液 每 增 加 一 层 ， 其 温 度 都 比 下 一 层 高 ， 从 而建 立 了 类 似 顶 注 式 的 温 度 分 布 ， 有 利 于 铸 件 自 下 而 上 的 顺 序 凝 固 ， 有 利 于 上 部 冒 口 的 补缩 。 、 缺 点 ： 消 耗 液 体 金 属 多 ， 工 艺 出 品 率 低 ， 浇 道 的 切 割 既 麻 烦 又 费 工 。 、 适 用
48、 范 围 ： 广 泛 应 用 于 轻 合 金 铸 造 中 ， 尤 其 适 合 于 缩 松 倾 向 较 大 的 镁 合 金 铸 件 。来 说 ， 它 是 常 用 的 浇 注 系 统 类 型 之 一 。 但 由 于 切 割 困 难 、 在 铸 钢 件 、 铸 铁 件 生 产 中 较 少应 用 。2 按 浇 注 系 统 各 单 元 断 面 积 比 例 分 类浇 注 系 统 按 直 浇 道 、 横 浇 道 及 内 浇 道 断 面 积 的 比 例 关 系 ， 可 分 为 收 缩 式 、 扩 张 式 和半 扩 张 式 三 种 。1） 、 收 缩 式 浇 注 系 统 、 定 义 ： 直 浇 道 、 横 浇
49、道 和 内 浇 道 的 断 面 积 依 次 缩 小 （ 即 F 直 F 横 F 内 ） 的浇 注 系 统 称 为 收 缩 式 浇 注 系 统 。 、 优 点 ： 易 于 浮 渣 ， 合 金 液 消 耗 少 。此 种 浇 注 系 统 在 充 型 的 最 初 阶 段 直 至 整 个 充 型 过 程 ， 都 保 持 充 满 状 态 ， 金 属 液 中 的渣 子 易 于 上 浮 到 横 浇 道 上 部 ， 避 免 进 入 型 腔 。 此 外 ， 这 种 浇 注 系 统 所 占 体 积 较 小 ， 减 少了 合 金 的 消 耗 。 、 缺 点 ： 液 流 不 平 稳 ， 易 引 起 喷 溅 和 剧 烈 氧 化 。液 态 金 属 在 这 种 浇 注 系 统 中 流 动 时 ， 由 于 浇 道 截 面 积 越 来 越 小 ， 流 动 速 度 越 来 越 大 ，从 内 浇 道 进 入 型 腔 的 液 流 ， 流 动 速 度 很 大 ， 对 型 壁 产 生 冲 击 ， 易 引 起 喷 溅 和 剧 烈 氧 化 。 、 适 用 范 围 ： 这 种 浇 注 系 统 主 要 用 于 不 易
