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铸造浇注系统设计-.ppt
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1、第七章第七章 浇注系注系统设计本章主要本章主要讲授授浇注系注系统类型的型的选择,浇注最小截注最小截面尺寸的面尺寸的计算,其它算,其它铸造合金造合金浇注系注系统的特点。要的特点。要求掌握求掌握浇注系注系统的的选择原原则。重点重点为浇注系注系统的的选择原原则和确定和确定浇注位置,注位置,难点点为浇注系注系统选择原原则的灵活的灵活应用。用。1概概 述述浇注系注系统:铸型中液型中液态金属流入型腔的通道之金属流入型腔的通道之总称称组成:成:浇口杯、直口杯、直浇道、直道、直浇道道窝、横、横浇道、内道、内浇道道 正确正确设计浇注系注系统使液使液态合金平合金平稳合理的充合理的充满型型腔,腔,对铸件品件品质影响
2、很大,影响很大,铸件件废品中的品中的30%30%是因是因浇注注系系统不当引起。不当引起。2浇注系注系统的的组成成3浇注系注系统设计原原则l使液使液态合金合金平平稳充充满铸型型,不冲,不冲击型壁和型芯,型壁和型芯,不不产生生涡流和流和喷溅,不卷入气体,并利于型腔内,不卷入气体,并利于型腔内的空气和其他气体排出型外,的空气和其他气体排出型外,防止金属液防止金属液过度氧度氧化及化及产生砂眼、冷豆、气孔。生砂眼、冷豆、气孔。l阻阻挡夹杂物物进入型腔入型腔,以免在,以免在铸件上形成渣孔。件上形成渣孔。l调节铸型及型及铸件各部分温差,件各部分温差,控制控制铸件的凝固件的凝固顺序序,不阻碍不阻碍铸件的收件的
3、收缩,减少,减少铸件的件的变形和开裂形和开裂倾向。向。l合金液流合金液流不不应冲刷冷冲刷冷铁和芯撑和芯撑。防止冷。防止冷铁的激冷效的激冷效果降低及表面熔化,避免芯撑果降低及表面熔化,避免芯撑过早早软化和熔化,造化和熔化,造成成铸件壁厚件壁厚变化化4浇注系注系统设计原原则l浇注系注系统尽可能尽可能结构构简单紧凑凑,占砂箱面,占砂箱面积小,体小,体积小,小,有利于减少冒口体有利于减少冒口体积,节约合金和型砂,提合金和型砂,提高砂箱利用率,方便造型、清理和高砂箱利用率,方便造型、清理和浇注系注系统模模样的的制造制造l使液使液态合金以最短的距离,最合适的合金以最短的距离,最合适的时间充充满型腔,型腔,
4、有足有足够的的压力力头,并保,并保证金属液面在型腔内有必要金属液面在型腔内有必要的上升速度等,以确保的上升速度等,以确保铸件的件的质量;量;l起一定的起一定的补缩作用,作用,在内在内浇道凝固前道凝固前补给部分液部分液态收收缩5浇注系注系统的的设计内容与步内容与步骤选择浇注系注系统的的类型和型和结构;构;合理地在合理地在铸型中布置型中布置浇注系注系统及确定内及确定内浇道的引入道的引入位置和个数;位置和个数;计算算浇注注时间和和浇注系注系统中的最小断面中的最小断面积,确定直,确定直浇道的高度道的高度(如有(如有浇口杯口杯则从杯中液面高度算起)从杯中液面高度算起)按按经验比例数据决定其他比例数据决定
5、其他组元的断面元的断面积;大批量生大批量生产时需需经过生生产阶段的反复,如有不足之段的反复,如有不足之处,应调整以上各整以上各项设计内容,甚至修改工内容,甚至修改工艺方案,方案,直到合理并保直到合理并保证质量量为止。止。6第一第一节 液液态金属在金属在浇注系注系统的流的流动l型壁的多孔性、透气性和合金液的不相型壁的多孔性、透气性和合金液的不相润湿性,湿性,给合金液的合金液的运运动以特殊以特殊边界条件界条件l在充型在充型过程中,合金液和程中,合金液和铸型之型之间有着激烈的有着激烈的热作用、机作用、机械作用和化学作用械作用和化学作用;合金液冲刷型壁,粘度增大,体合金液冲刷型壁,粘度增大,体积收收缩
6、,吸收气体、使金属氧化等;,吸收气体、使金属氧化等;l浇注注过程是不程是不稳定流定流动过程程 在型内合金液淹没了内在型内合金液淹没了内浇道之后,随着合金液面上升,道之后,随着合金液面上升,充型的有效充型的有效压力力头渐渐变小小 型腔内气体的型腔内气体的压力并非恒定力并非恒定 浇注操作不可能保持注操作不可能保持浇口杯内液面的口杯内液面的绝对稳定定一、砂型流一、砂型流动的水力学特点的水力学特点7l合金液在合金液在浇注系注系统中一般呈中一般呈湍流湍流状状态 l多相流多相流动 一般合金液一般合金液总含有某些少量固相含有某些少量固相杂质、液相、液相夹杂和气和气泡,在充型泡,在充型过程中程中还可能析出晶粒
7、及气体,故充型可能析出晶粒及气体,故充型时合金液属于多相流合金液属于多相流动一、砂型流一、砂型流动的水力学特点的水力学特点8浇口杯作用:口杯作用:l用来承受来自用来承受来自浇包的金属液流并引入直包的金属液流并引入直浇道,道,防止防止过浇而溢出;而溢出;l避免流股直冲直避免流股直冲直浇道,减少液流道,减少液流对铸型的冲型的冲击l有一定的有一定的挡渣作用;渣作用;l当砂箱高度低、当砂箱高度低、压头不不够时,又可用以增加金,又可用以增加金属液的静属液的静压头。二、二、浇口杯中的流口杯中的流动9浇口杯分口杯分类:漏斗形漏斗形浇口杯、池盆形口杯、池盆形浇口杯口杯二、二、浇口杯中的流口杯中的流动10漏斗形
8、漏斗形浇口杯口杯特点:特点:结构构简单,制作方便,容,制作方便,容积小,消耗金属液少;小,消耗金属液少;只能用来接只能用来接纳和和缓冲冲浇注的金属流股,注的金属流股,挡渣能力小渣能力小;应用:用:主要用在小型主要用在小型铸铁件及件及铸钢件,广泛用于机器造件,广泛用于机器造 型。型。结构:构:漏斗口的直径漏斗口的直径应该比直比直浇道大一倍以上。道大一倍以上。可用可用带滤网的漏斗形网的漏斗形浇口杯。口杯。11池盆形池盆形浇口杯口杯特点:特点:挡渣作用明渣作用明显,但是制作程序复,但是制作程序复杂,消耗,消耗的金属的金属较多多应用:用:主要用于中大型主要用于中大型铸铁件。件。结构:构:浇口盆口盆的深
9、度的深度应该大大于直于直浇道上端道上端直径的直径的5 5倍。倍。12浇口杯中口杯中应避免出避免出现水平水平涡流流液液态金属在平底的金属在平底的浇口杯中口杯中流流动 时易出易出现水平水平涡流。流。流量分布不均匀造成流速方流量分布不均匀造成流速方向偏向偏 斜。水平分速度斜。水平分速度对直直浇道中心道中心线 偏斜,形成水平偏斜,形成水平涡流运流运动。在在涡 流中心区形成流中心区形成一个漏斗形充一个漏斗形充满空空 气的等气的等压自由液面的空穴。容易自由液面的空穴。容易 将空将空气和渣子气和渣子带入直入直浇道。道。原因:原因:水平各向流量不均水平各向流量不均衡造成流速方向的偏斜。衡造成流速方向的偏斜。1
10、3若忽略金属粘度的影响,若忽略金属粘度的影响,视液液态金属金属为理想流体,理想流体,浇口杯内液口杯内液态金属金属应满足足动量矩守衡:量矩守衡:Mvr=Mvr=常量常量式中:式中:M M 距离直距离直浇道中心道中心为r r处的的质点的点的质量量 v M v M点的切点的切线速度速度 r M r M点距离直点距离直浇道中心的距离。道中心的距离。漏斗形等漏斗形等压自由液面的形成:自由液面的形成:一旦出一旦出现水平旋水平旋涡,越靠近中心,越靠近中心,M M质点的离心加速度越高,重力加速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,根据度和离心加速度的合成加速度越接近于水平,根据流
11、体力学原理,等流体力学原理,等压面垂直于面垂直于总加速度方向。等加速度方向。等压面逐步由水平面逐步由水平过度到垂直,形成中空的大气度到垂直,形成中空的大气压力表力表面。面。对铸件件质量的影响:量的影响:卷气、渣沿等卷气、渣沿等压面面进入型腔。入型腔。14影响水平旋影响水平旋涡的因素的因素 浇口杯中金属流股的水平分速度越大,越容易形成水口杯中金属流股的水平分速度越大,越容易形成水平旋平旋涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关:而水平分速度的大小又与以下因素有关:a a 浇口杯内液面的深度:口杯内液面的深度:液面深度超液面深度超过直直浇道上端直道上端直径的径的5 5倍倍时可基本消除水平旋可基本消除
12、水平旋涡。b b 浇注高度:注高度:浇包嘴离包嘴离浇口杯越高,越容易口杯越高,越容易产生水平生水平旋旋涡。15c c 浇注方向:逆向注方向:逆向浇注注较顺向向浇注注为佳。佳。纵向逆向逆浇不不易形成水平易形成水平涡流,而流,而纵向向顺浇易将易将夹渣渣带入型腔;入型腔;带底坎底坎时,侧向向浇注注时金属液可能金属液可能绕过底坎从另一底坎从另一侧进入直入直浇道形成水平道形成水平涡流。流。图 底坎和底坎和浇注方向注方向对液流流向的影响液流流向的影响a)a)纵向逆向逆浇 b)b)纵向向顺浇 c)c)侧向向浇注注16纵向向顺浇方便方便浇注工作注工作,不易不易产生垂直生垂直涡流流,轻质点点夹杂物物进入直入直浇
13、道的可能性大;道的可能性大;纵向逆向逆浇易形成垂直易形成垂直涡流流,有助于有助于夹杂物上浮物上浮。侧向向浇注注形成垂直形成垂直涡流的可能介于上述两者之流的可能介于上述两者之间,液流从一液流从一侧流向直流向直浇道,易形成水平道,易形成水平涡流。流。图 底坎和底坎和浇注方向注方向对液流流向的影响液流流向的影响a)a)纵向逆向逆浇 b)b)纵向向顺浇 c)c)侧向向浇注注17生生产中减中减轻水平旋水平旋涡的措施的措施a a 用大深度用大深度浇口杯口杯b b 浇口杯底部安放口杯底部安放筛网等网等18c c 在在浇口杯底部口杯底部设置堤置堤坝,形成垂直旋,形成垂直旋涡。垂直旋垂直旋涡的的挡渣作用:渣作用
14、:金属液沿斜壁流下,由金属液沿斜壁流下,由于流速的减低和流向的于流速的减低和流向的改改变,形成垂直方向的,形成垂直方向的旋流。旋流。19在池形在池形浇口杯中口杯中增增设隔板隔板和在和在浇口杯出口口杯出口处又有又有底坎底坎,就能把,就能把浇包落入包落入浇口杯中流股的紊乱口杯中流股的紊乱搅拌拌作用限制在作用限制在浇注区范注区范围内,且能急内,且能急剧改改变流股方流股方向,形成使向,形成使轻质点点杂质上浮的流向。上浮的流向。a)合理 b)不合理20d d 用拔塞等方法,使用拔塞等方法,使浇口杯内液面达到一定深度口杯内液面达到一定深度时再向直再向直浇道注入道注入即使即使带隔板和底坎(或凹坑)的隔板和底
15、坎(或凹坑)的浇口杯,也不能口杯,也不能完全阻完全阻挡浇注开始注开始时液流液流带入的气体和入的气体和夹杂物,物,故故浇注重要注重要铸件件时,常在,常在浇注前用各种方法将直注前用各种方法将直浇道堵住,等道堵住,等浇口杯充口杯充满后再打开,并一直保持后再打开,并一直保持浇口杯的液面高度。口杯的液面高度。21浇口杯的口杯的结构构设计 1)1)浇口口杯杯中中金金属属液液面面的的高高度度:H5dH5d直直上上,而而且且浇口口杯与直杯与直浇道要采用道要采用圆角角连接接,r0.25dr0.25d直上直上;2)2)采用采用纵向逆向逆浇,设置底坎、置底坎、挡板和板和闸门等;等;3)3)采采用用特特殊殊结构构的的
16、浇口口杯杯:拔拔塞塞式式、浮浮塞塞式式、铁隔隔片式、片式、闸门式式等;等;4 4)浇口杯与直口杯与直浇道相道相连的的边缘做成凸起状。做成凸起状。22直直浇道的功用道的功用:l引引导金属液金属液进入横入横浇道、内道、内绕道或直接道或直接导入型腔;入型腔;l提供足提供足够的的压力力头,使金属液克服各种流,使金属液克服各种流动阻力,阻力,在在规定定时间内充内充满型腔。型腔。三、三、直直浇道中的流道中的流动直直浇道道形状:形状:常做成上大下小的常做成上大下小的锥形、形、等断面的柱形和上小下大的等断面的柱形和上小下大的倒倒锥形。形。23(1 1)液)液态金属在直金属在直浇道中的流道中的流动特点特点 直直
17、浇道一般不能道一般不能挡渣,而且金属液通渣,而且金属液通过时容易容易带入气体。入气体。当气体被卷入型腔当气体被卷入型腔时而又不能而又不能顺利逸出利逸出时就就会在会在铸件中形成气孔。件中形成气孔。1 1)水模)水模拟实验真空吸气理真空吸气理论实验条条件件:采采用用有有机机玻玻璃璃模模型型,制制作作浇口口杯杯和和直直浇道道两两组元元浇注注系系统,采采用用水水模模拟的的方方法法,采采用用尖尖角角、圆角角连接接形形式式,采采用用等断面和等断面和变截面的直截面的直浇道道结构。构。24l直直浇道入口道入口处的形状影响液流分布:的形状影响液流分布:尖角尖角连接接时直直浇道内呈不充道内呈不充满流流动;圆角角连
18、接接时则为充充满状状态。l直直浇道形状影响液流的内部道形状影响液流的内部压力:尖角力:尖角连接接时不充不充满,而且流股呈而且流股呈渐缩形,直形,直浇道上口有真空区存在。道上口有真空区存在。l有有锥度的直度的直浇道呈道呈充充满状状态,且呈正,且呈正压流流动,从直,从直浇道上道上的小孔流水;而等的小孔流水;而等断面的直断面的直浇道道虽然然也呈充也呈充满状状态,但,但是却呈是却呈负压流流动,吸入气体;吸入气体;(1 1)液)液态金属在直金属在直浇道中的流道中的流动特点特点25直直浇道的流道的流动特点特点(1 1)两种流)两种流态:充:充满和不充和不充满。非充。非充满状状态易易带气,但在气,但在底注包
19、底注包浇注注时或用或用阶梯梯浇注系注系统时采用。采用。(2 2)非充)非充满直直浇道中金属液以重力加速度做等加速运道中金属液以重力加速度做等加速运动,流股必定向内收流股必定向内收缩;流股内部与砂型表;流股内部与砂型表层气体之气体之间无无压力差,力差,气体不可能被吸入,而是被金属表面吸收和气体不可能被吸入,而是被金属表面吸收和带走。走。(3 3)直)直浇道入口形状影响金属流道入口形状影响金属流态。入口尖角。入口尖角时,增加流,增加流动阻力和断面收阻力和断面收缩率,常率,常导致非充致非充满式流式流动。要使直。要使直浇道呈道呈充充满流流态,要求入口,要求入口处圆角半径角半径rd/4rd/4。(4 4
20、)水利学模)水利学模拟实验与砂型中与砂型中实际流流动状况有差异。状况有差异。(5 5)砂型中直)砂型中直浇道充道充满的理的理论条件。条件。262 2)真空吸气理)真空吸气理论 假假设条件:条件:浇注系注系统是由不透气材料制成;是由不透气材料制成;流体呈流体呈稳定流定流动,且,且为不可不可压缩流体;流体;直直浇道道为等断面等断面结构。构。如如图所示,所示,选择直直浇道的道的出口出口2-22-2为分析的基准面,分析的基准面,则伯努利方程可写伯努利方程可写为:其中,其中,Z Z2 2=0=0,P P2 2=Pa=Pa,整理得:,整理得:27由于是由于是稳定流定流动,根据,根据连续流流动定律,有:定律
21、,有:F F1 1V V1 1=F=F2 2V V2 2,F F1 1=F=F2 2,V V1 1=V=V2 2则因因为Z Z1 1远远大大于于h h1-21-2,所所以以,(P P2 2-P-P1 1)/0/0,P P2 2 P P1 1 ,P P2 2 =P=Pa a,P Pa a P P1 1 。因因此此,真真空空吸吸气气理理论的的分分析析可可以以得得出出结论:在在直直浇道道中中有有真真空空度存在,流体度存在,流体经过浇注系注系统时要吸入气体。要吸入气体。28291 1)、入口)、入口处的的连接接 (与与浇口杯口杯连接接处)采用采用圆角,角,一般要求入一般要求入口口处圆角半径角半径r r
22、d d4(d4(d为直直浇道上口直径道上口直径)。这样可以减少气体的卷可以减少气体的卷入和入和避免尖角型砂被冲掉引避免尖角型砂被冲掉引起冲砂缺陷起冲砂缺陷。直直浇道道结构构设计防止液流防止液流带入气体和冲砂,入气体和冲砂,设计直直浇道道时应注意以注意以下几点:下几点:30直直浇道的形状道的形状上大下小的上大下小的锥形即形即设计锥度度2 2)直)直浇道的形状道的形状则:v v2 2vv1 1,可使可使P P2 2PP1 1,流体呈正流体呈正压流流动;上大下小的上大下小的锥形,形,有利于在直有利于在直浇道中呈正道中呈正压流流动,能防止吸气或,能防止吸气或非充非充满状状态而而带气。气。313 3、蛇
23、形直、蛇形直浇道道则使使h h1-2,1-2,增增大大,保保证P P2 2PSS横横SS内内实际情况:情况:液液态金属有粘度,流金属有粘度,流动阻力有阻力有较大的影响。大的影响。S S直直:S S横横:S S内内=1:2.5:2.5=1:2.5:2.5时仍呈正仍呈正压充充满状状态。73第二第二节 浇注系注系统的基本的基本类型及型及选择1 1、浇注系注系统的分的分类浇注系注系统常用的分常用的分类:l根据各根据各组元断面比例关系的不同:元断面比例关系的不同:封封闭式、开放式式、开放式按内按内浇道在道在铸件上的相件上的相对位置不同:位置不同:顶注式、中注式、中间注入式、底注式、注入式、底注式、阶梯式
24、梯式74二、封二、封闭、开放式、开放式浇注系注系统封封闭式式浇注系注系统阻流阻流在一个在一个浇注系注系统中截面中截面积最小的最小的浇道道S内内 S横横 S直直,例如,例如1:1.2:1.5 封封闭式式浇注系注系统可理解可理解为正常正常浇注条件下,所有注条件下,所有组元能被元能被金属液充金属液充满的的浇注系注系统,也称,也称为充充满式式浇注系注系统。(因全部。(因全部截面上的金属液截面上的金属液压力均高于型壁气体力均高于型壁气体压力,故是有力,故是有压或正或正压系系统)。)。优点:点:阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。缺点:缺点:进入型腔的金
25、属液流速度高,易入型腔的金属液流速度高,易产生生喷溅和冲砂,使和冲砂,使金属氧化,使型内金属液金属氧化,使型内金属液发生生扰动、涡流和不平静。流和不平静。应用:用:主要主要应用于不易氧化的各种用于不易氧化的各种铸铁件。件。对于容易氧化的于容易氧化的轻合金合金铸件、采用漏包件、采用漏包浇注的注的铸钢件和高大的件和高大的铸铁件,均不件,均不宜使用。宜使用。75开放式开放式浇注系注系统 S内内S横横 S直;例如直;例如1.5:1.2:1在在正正常常浇注注条条件件下下,金金属属液液不不能能充充满所所有有组元元的的浇注注系系统,又又称称为非非充充满式式或或非非压力力式式浇注注系系统。在在金金属属液液流流
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