铸件均衡凝固技术课件

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1、铸件均衡凝固技术1铸件均衡凝固技术铸件均衡凝固技术及其应用及其应用主讲：河北工业大学材主讲：河北工业大学材 料加工与控制系料加工与控制系 李日李日铸件均衡凝固技术2铸件均衡凝固技术及其应用第一章 铸铁件均衡凝固理论及相应的冒口设计技术第二章 铸铁件冒口补缩设计及应用第四章 浇注系统大孔出流理论与设计铸件均衡凝固技术3第一章 铸铁件均衡凝固理论及相应的冒口设计技术均衡凝固理论基本思想分析冒口的大小接触热节冒口的位置灰/球铁补缩方式的微观过程分析均衡凝固过程的微观机理铸铁件均衡凝固工艺原则返回铸件均衡凝固技术4第一节 均衡凝固理论基本思想分析冒口的大小 传统灰铸铁传统灰铸铁/球铁件的冒口设计方法分

2、析球铁件的冒口设计方法分析 铸铁件收缩和补缩的特点返回铸件均衡凝固技术5 传统灰铸铁传统灰铸铁/球铁件的冒口设计方法分析球铁件的冒口设计方法分析 传统灰铸铁/球铁件的冒口设计方法主要有：类似铸钢冒口的模数法、直接实用冒口、控制压力冒口。1）用类似铸钢冒口的模数法来设计铸铁冒口，忽略石墨化膨胀，设计出的冒口偏大，出品率很低，而且出现了越补越缩的现象，所以要寻求新的更好的方法。2）直接实用冒口是根据铸铁合金的凝固过程的收缩膨胀特性来计算冒口（如图3-5-20）。返回铸件均衡凝固技术6 该种冒口是补缩铸件的液态（一次）收缩，当液态收缩终止或体积膨胀开始时，让冒口颈及时冻结。计算冒口时用液态收缩值，并

3、认为该值是不变的。控制压力冒口对湿砂型来说，只适合球铁件模数0.48cm，灰铁件模数0.8，则分体1可通过分体2把多余铁水输送给安放在分体3上的冒口内，这时只需要安放一个冒口；若 M2/M10.8，则要在分体1、3上分别安放冒口。铸件均衡凝固技术11返回铸件均衡凝固技术12 适用于湿型中铸造模数0.482.5cm的球铁件;模数0.752.0cm的灰铁件，要求硬度85。计算冒口时用恒定的收缩膨胀值。用经验曲线计算。结论：如果铸铁的收缩膨胀值是均一恒定的，则可以进行有规律的计算，但实际情况如何呢？返回铸件均衡凝固技术13 铸铁件收缩和补缩的特点 实验表明（教材pp1，图1-1)，铸铁件体收缩不仅与

4、合金化学成分、浇注温度有关，还依赖于冷却速度，而冷却速度的表现是铸件结构和壁厚、铸型条件。可以发现的规律是：1）铸铁件的收缩值不是铸铁合金材料的收缩值，而是一个变化量。铸铁合金材料的体收缩是用标准小试样测定的，而铸件的真实收缩的定量数据是无法测量的，因为铸件不同部位冷却速度不同，收缩膨胀情况不同；返回铸件均衡凝固技术14 2）冷却速度大，体收缩大，越需要补缩；3）在一般砂型铸造条件下，越是薄小件，收缩值越大，越要强调补缩；越是厚大件，收缩有减小的趋势。表明大件却要小冒口补缩，与铸钢件相反（图1-4）。问题：那么如何设计灰/球铁件的冒口呢？如何寻找其补缩的定量规律呢？铸件均衡凝固技术15 铸铁件

5、的宏观收缩与膨胀的规律 1）铸钢件冒口是补缩哪部分收缩呢？A.铸件缩尺已将固体收缩考虑在内；B.冒口补缩的是液态收缩和凝固收缩；2）铸铁件冒口也可以一锅端，全保险，忽略石墨化膨胀，即传统模数法；3）但可以仔细研究整体铸件的宏观凝固规律，寻找更好的冒口计算方法收缩与膨胀动态叠加曲线（图1-2）。4）各种合金铸件的收缩膨胀叠加图 铸件均衡凝固技术16 5）从胀-缩动态曲线可知：铸件冷却凝固至均衡点P之前，必须靠外部补缩，到达P点之后，不需要补缩了。所以 则建立Mr与MAP之间的关系即可有限补缩。2APAPAPKMAPr返回铸件均衡凝固技术17第二节 接触热节冒口的位置 接触热节的产生 中性热节 接

6、触热节的防止和消除返回铸件均衡凝固技术18 接触热节的产生 铸件均衡凝固技术19 取上图中平板铸件边长130mm，厚度25mm，改变圆柱形冒口直径，在湿砂型条件下测定不同位置的凝固时间如表1-3。铸件均衡凝固技术20 结论：1.传统冒口设计取冒口直径为几何热节的1.5倍，实际是增大了冒口根部的热节圆；2.即使冒口有斜度，但也存在根部上附近部分直径小于根部直径的危险性，造成根部容易产生缩孔、缩松缺陷。返回铸件均衡凝固技术21 中性热节铸件均衡凝固技术22 接触热节的防止和消除 1）冒口不要放在几何热节上，离开热节，又要靠近热节，使即防止热干扰又保证补缩；2）用侧冒口代替顶冒口，如压边冒口、飞边冒

7、口、耳冒口等。避免采用圆柱形、方形和腰圆形顶冒口；3）在冒口下面、铸件的侧面安放冷铁，冒口补缩，冷铁消除接触热节（图1-7）；4）将冒口颈作成中性棒体尺寸；5）从中性尺寸开始缩小冒口颈，加大冒口体。返回铸件均衡凝固技术23第三节 灰/球铁补缩方式的微观过程分析均衡凝固过程的微观机理铸铁件补缩方式分析铸铁件的树枝晶凝固与收缩铸铁件的自补缩方式返回铸件均衡凝固技术24铸铁件的树枝晶凝固与收缩1.树枝晶凝固是缩孔缩松形成的主因(灰/球铁)2.收缩缺陷的形成缩孔:热节部位,补缩通道堵塞而致缩松宏观缩松:缩孔下面,几何热节中心;枝晶生长后期,枝晶间液体受到外部抽吸所致,是液体流动传输的结果.微观缩松:枝

8、晶间液体自身收缩的结果,并无液体的传输流动.返回铸件均衡凝固技术25宏观通道补缩:石墨化膨胀胀破固体壳层,补缩,一般无良好效果.铸铁件自补缩方式1.均衡补缩:最理想的补缩2.通道补缩3.固体挤压补缩显微通道补缩:补缩缩松区 (宏观缩松)球团未接触前球团接触后在保证球墨铸铁件组织致密性方面发挥着重要作用缩孔缩孔,宏观缩松可用冒口补缩。微观缩松不可用冒口补缩。宏观缩松可用冒口补缩。微观缩松不可用冒口补缩。显微补显微补缩通道缩通道是枝晶是枝晶臂间固臂间固有的，有的，宏观补宏观补缩通道缩通道是膨胀是膨胀压力挤压力挤出来的出来的。返回铸件均衡凝固技术26返回铸件均衡凝固技术27返回铸件均衡凝固技术28返

9、回铸件均衡凝固技术29返回铸件均衡凝固技术30铸件均衡凝固技术31返回铸件均衡凝固技术32铸件均衡凝固技术33铸件均衡凝固技术34铸件均衡凝固技术35返回铸件均衡凝固技术36返回铸件均衡凝固技术37缩孔的位置不在热中心处，而是靠近热中心处。铸件均衡凝固技术38缩孔形成时间处于：初晶凝固末期和共晶体凝固阶段返回铸件均衡凝固技术39宏观缩松一般位于缩孔下面，处于几何中心，发生宏观缩松一般位于缩孔下面，处于几何中心，发生的时间稍后于缩孔，从时间上看，宏观缩松与显微的时间稍后于缩孔，从时间上看，宏观缩松与显微缩松分别是在共晶膨胀之前和之后形成的。缩松分别是在共晶膨胀之前和之后形成的。返回铸件均衡凝固技

10、术40宏观缩松由于宏观缩松由于枝晶间液体受枝晶间液体受到外部抽吸所到外部抽吸所致，是液体传致，是液体传输的结果，而输的结果，而微观缩松是枝微观缩松是枝晶间液体自身晶间液体自身收缩的结果，收缩的结果，并无液体的传并无液体的传输流动。故而，输流动。故而，显微缩松用外显微缩松用外部冒口补缩较部冒口补缩较难，宏观缩松难，宏观缩松仍可用外部冒仍可用外部冒口加以补偿。口加以补偿。返回铸件均衡凝固技术41返回铸件均衡凝固技术42缩松或局部缩缩松或局部缩孔邻近区域的孔邻近区域的盈余铁液会通盈余铁液会通过枝晶间的显过枝晶间的显微通道补缩它微通道补缩它们。们。由图可见，中心共晶组织细小，与周围粗大枝晶分界明显。返

11、回铸件均衡凝固技术43铸件顶部缩凹中的铁豆，是指向铸件顶部缩凹中的铁豆，是指向铸件外层的液体流动传输的结果铸件外层的液体流动传输的结果铸件均衡凝固技术44缩孔中挤入铁豆，铁缩孔中挤入铁豆，铁豆没能把缩孔挤满，豆没能把缩孔挤满，和缩孔壁之间保持着和缩孔壁之间保持着间隙，呈冷隔形。铁间隙，呈冷隔形。铁豆分两部分，金相组豆分两部分，金相组织不同，表明是不同织不同，表明是不同地方而来，说明补缩地方而来，说明补缩通道不仅一条。观察通道不仅一条。观察发现铁豆很少完全充发现铁豆很少完全充填缩孔。缩孔的克服填缩孔。缩孔的克服应着重于早期的外部应着重于早期的外部冒口。冒口。铸件均衡凝固技术45通道凝固时石墨数量

12、多，分枝发达，没有初生枝晶，为典型的通道凝固时石墨数量多，分枝发达，没有初生枝晶，为典型的共晶组织。通道以外（上下部位）枝晶密布，石墨少而小。共晶组织。通道以外（上下部位）枝晶密布，石墨少而小。返回铸件均衡凝固技术46返回铸件均衡凝固技术47返回铸件均衡凝固技术48灰铸铁输送距离球铁输送距离返回铸件均衡凝固技术49第四节 铸铁件均衡凝固工艺原则 均衡凝固的定义 均衡凝固的工艺原则 均衡凝固与顺序凝固的异同 均衡凝固与同时凝固的异同返回铸件均衡凝固技术50 均衡凝固的定义 铸铁铁液冷却时要产生体积收缩，凝固时析出石墨产生体积膨胀。均衡凝固就是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，

13、采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工艺原则。返回铸件均衡凝固技术51 二、均衡凝固的工艺原则 1）铸铁件的收缩值是不确定的，不能根据合金的种类和牌号给出一个确定的收缩值来决定冒口尺寸、铸铁件的收缩值不仅和合金成分、浇注温度有关，还和铸件的大小、结构、壁厚、铸型种类、浇注工艺方案及参数有关。2）越是薄小件越是要强调补缩，补缩措施可以利用浇注系统（对薄小件），也可以利用专 设的冒口（对 厚小件）。厚大件补缩要求低，可以用小冒口、有限冒口和无冒口 艺。返回铸件均衡凝固技术52 3）任何铸铁件的补缩工艺设计，都应该以自补缩为基础。一个需要设置冒口补缩的铸件。也要充分利

14、用石墨化膨胀自补缩，冒口只是补充自补不足的差额、为此，铸铁件的冒口不必 要晚于铸件凝固，冒口在尺寸土或模数上可以小于铸件的壁厚或模数。4）铸铁件的冒口不应该也不能放在铸件的热节上。冒口要靠近热节以利于补缩，冒口又要离开热节，以减少冒口对铸件的热干扰。冒口离开铸件的几何热节，是均衡凝固工艺的关键技术之一、均衡凝固工艺特别强调内浇道根部、冒口根部和铸件热节不能重合。5）浇冒口的开设要避免形成接触热节这对一切合金都适用。铸件均衡凝固技术53 6）铸铁件冒口自成系列、耳胃口、飞边冒口的目口颈短、薄、宽，是溢流冒口和无冒口铸造保险冒口的理想型式。7）铸件的厚壁热节放在浇注位置的下部，厚薄相差较大时，厚壁

15、处安放冷铁，铸件可不安放冒口、如果大平面处于上箱。可采用溢流胃口来保证大平面的表面质量。8）采用冷铁平衡壁厚差，消除热节。冷铁的作用除防止铸件厚壁、热节处缩松外，还可以使铸件的一部分石墨化膨胀提前，有利于胀缩的早期叠加，使均衡点提前，减小冒口尺寸。为此，冷铁不仅对安放冷铁的部位有作用，而目对铸件的整体亦有增强自补缩的作用。铸件均衡凝固技术54 冷铁材质以普通灰铸铁为优。应该规定冷铁的使用次数、冷铁重复使用后，由于表面氧化脱石墨，形成微观孔洞和裂纹，使激冷能力下降，易与铸件熔接粘连，使铸件安放冷铁处产生气孔。9）调节铸件温差，薄壁处保温与厚壁处安放冷铁具有相同的工艺效果。10）优先采用顶（上）注

16、工艺，使先浇入的铁液尽快静止下来，提前石墨化膨胀，以提高自 补缩的利用程度。对圆形铸件，在不冲击中间芯子的前提下，优先采用径向和轴向引人，而避免采用切向引入。切向引入，铁液在铸型内不停地旋转，一是不平稳，二是铁液不能尽快静下来，会降低自补缩利用程度。返回铸件均衡凝固技术55 均衡凝固与顺序凝固的异同 均衡凝固与顺序凝固都强调铸件的补缩。均衡凝固的补缩技术，更强调铸件的自补缩，冒口只是补充自补不足的差额，冒口不必晚于铸件凝固，冒口不应该放在铸件的热节上。冒口的补缩是有限的。顺序凝固强调冒口要晚于铸件凝固，冒口安放在铸件最高的厚实部位热节上。均衡凝固的冒口尺寸较小，工艺出品率提高；由于冒D不放在热

17、节上，可以消除冒口根部的缩孔、缩松缺陷，减少废品。返回铸件均衡凝固技术56 均街凝固与同时凝固的合同 均衡凝固和同时凝固都强调浇注系统或冒口要从铸件薄壁处引入，使铸件不同部位的温差减小，以避免局部过热。同时凝固强调的是减小应力、裂纹与变形，而不考虑补缩。均衡凝固 则是从补缩出发，强调小件、薄壁件、壁厚均匀件的补缩，但浇冒口又不安放在铸件的热节处，在有效补缩的同时，也减小了应力、变形和裂纹趋势。采用均衡凝固工艺原则设计薄小件工艺，可以大大减少缩孔缩松等废品缺陷，提高铸件的内在质量。返回铸件均衡凝固技术57第二章 铸铁件冒口补缩设计及应用基于均衡凝固原理的铸铁件冒口设计概论均衡凝固理论的冒口设计方

18、法铸铁件冒口类型及结构冒口设计的工程应用举例返回铸件均衡凝固技术58第一节基于均衡凝固原理的铸铁件冒口设计概论 灰铸铁和球墨铸铁件（以下简称铸铁件）应该以浇注系统后补缩和石墨化膨胀自补缩为基础只是由于铸件本身结构、合金成分、冷却条件等原因，不能建立足够的后补缩和自补缩的情况下才应用冒口。一个需要设置冒口补缩的铸件，也必须充分利用后补缩和自补缩，冒口只是补充后补和自补不足的差额。铸铁件的冒口设计应满足以下条件：冒口要晚于铸件收缩时间AP凝固，即冒口的模数MR要大于铸件的收缩模数MS。冒口所能提供的补缩液量应大于铸件表观收缩值，铸件表观收缩值等于铸件体积VC与补缩率FC的乘积。返回铸件均衡凝固技术

19、59 冒口和铸件连接形成的接触热节要小于铸件的几何热节，不要因为设置冒口而延长铸件的收缩时间和凝固时间。为此，冒口不要开设在铸件的几间热节上。冒口和铸件需要补缩的分体之间要存在补缩液体流动的通道，补缩通道的模数应不小于铸件的收缩模数。冒口体内要有足够的补缩压力，使补缩液体定向流到需要补缩处以克服流动阻力，并保证铸件在凝固过程中一直处于正压状态，即冒口停止补缩时冒口中还有一定的残余铁液压头。铸铁件的冒D颈要短、薄、宽。因此铸铁件均衡凝固有限补缩冒口设计在冒口位置、冒口大小、冒口补缩时间等方面都和铸钢件顺序凝固有显著的不同。返回铸件均衡凝固技术60第二节 均衡凝固理论的冒口设计方法 传统冒口设计内

20、容与均衡凝固设计内容对比 均衡凝固冒口尺寸的计算理论 均衡凝固冒口颈尺寸计算理论 均衡凝固理论下的整体补缩液量校核 冒口位置和个数的确定返回铸件均衡凝固技术61 传统冒口设计内容与均衡凝固设计内容对比 1.冒口设计内容 1)冒口尺寸计算 2）冒口颈尺寸计算 3）补缩液量校核 4）冒口位置:对铸铁来说,不放在 几何热节上,应放在均衡段上recrVVVV)(2.通用冒口设计cr返回铸件均衡凝固技术623.铸铁件冒口设计因为铸铁要补缩的是右图阴影部分收缩，所以对应于通用冒口设计，其设计内容为：铸铁件冒口设计APrrecrcVVVVF)(均衡段选取：考虑接触热节返回铸件均衡凝固技术63 均衡凝固冒口尺

21、寸的计算理论1.冒口尺寸设计 对铸铁件来说，冒口只需要补缩ABP部分收缩，则而 APR2RRKM2APAPKM22APRMM返回铸件均衡凝固技术64APRMfM1则MAP难于确定，必须用MC来代替，故22CAPcAPKMKMCCAPAPMM/CAPP/令P为收缩时间分数Pf 2令f2为收缩模数因数APRMffM21则需要求出P，然后求出f2铸件均衡凝固技术65 收缩时间分数P通过试验回归求出铸件均衡凝固技术66)01.05.0(0.1mcQMceP灰铸铁收缩时间分数回归方程：球墨铸铁收缩时间分数回归方程：)01.065.0(0.1mcQMceP铸件均衡凝固技术67 然后将冒口补缩终止前的最后压

22、力也考虑进去，引入压力因数f3，那么 MR=f1 f2 f3 Mc f3选取见下表2-9。返回铸件均衡凝固技术68 均衡凝固冒口颈尺寸计算理论 冒口颈中不断地流过热的金属液，所以凝固时间即使在小尺寸下也很长，其模数是动态增长的，直到铸件到达均衡点。所以要求冒口颈模数应等于补缩对象的收缩模数即Mn=Ms，但Mn是动态增长的，所以Mn在几何上要小于Ms，引入流通效应系数fp，那么 Mn=fp Ms=fpf2Mc 冒口颈的理想状况是在铸件停止抽吸金属液前即在补缩时间内无降温、无凝固，是一个光滑的通道，就是要在此时间段内保持动态模数Ms，所以也要求冒口的残余模数为Ms，否则冒口提前冻结，无法补缩。铸件

23、均衡凝固技术69 冒口颈的自适应调节作用：1）在补缩对 象的收缩时间内，冒口颈中液态不断更新，不会冻结凝固，这要求冒口颈要短；2）在补缩对象刚停止表观收缩，让冒口颈及 时冻结，要求冒口颈要薄（即模数小、易 凝固）；3）在铸件收缩抽吸金属液时，要有足够的金属液及时补充进去，所以要 求有足够的截面积，这就要求冒口颈要宽。铸件均衡凝固技术70冒口颈与收缩模数直接相关冒口颈与收缩模数直接相关，则MNf2Mc，与金属液流通效应有关与金属液流通效应有关，设fp为流通效应因数，则MNfpf2 Mc，根据生产统计结果，fp取值为：一般情况：0.450.65 热冒口大铸件：0.45 热冒口小铸件:0.50 冷冒

24、口:0.500.65 冒口颈还与其长度有关，取f4为冒口颈长度因数，则最终冒口颈表达式为：MN=fpf2 f4 Mc铸件均衡凝固技术71 f2取值与冒口相同，f2=P返回铸件均衡凝固技术72 均衡凝固理论下的整体补缩液量校核Fc Fc与合金的体收缩率不同，均衡凝固中的补缩率不仅与合金体收缩率有关，还与浇注条件、浇冒口安放位置、铸型冷却特性及铸型硬度等工艺条件及补缩对象的结构有关，属动态特性。（Vc+VR)FcVR Fc用统计回归求得。返回铸件均衡凝固技术73铸件均衡凝固技术74)01.025.0(5.6mcQMceF灰铸铁补缩率Fc的回归方程：)01.050.0(0.8mcQMceF球墨铸铁补

25、缩率Fc的回归方程：铸件均衡凝固技术75 实际生产中，许多情况是浇注系统和冒口联合补缩方式，浇注系统提供的补缩液量占铸件所需要补缩液量相当的比例，扣除浇注系统提供的补缩液量，剩余的差额才由冒口提供。浇注系统提供的补缩液量可用浇注系统保持畅通时间占铸件收缩时间的分数表示，有ccsRsgFVMfSMMf322*1)1(1铸件均衡凝固技术76式中 Mg直浇道、横浇道凝固模数中最小值 Ms主见收缩模数；SR_冒口散热表面积；f1*校核冒口平衡因数；当f1*f1时，冒口设计是安全的。当f1*f1时，冒口设计偏大；当f1*f1时，冒口设计偏小，建议重新设计冒口，f1的取值建议按下式计算：2)2.1(*11

26、ff返回铸件均衡凝固技术77 冒口位置和个数的确定 冒口位置的确定原则是冒口既要靠近铸件或补缩对象的热节分体，又要离开该热节分体、推荐采用均衡段来确定合适的冒口位置、如图218所示，实线图表示未设置冒口的补缩对象几何模数；虚线圆表示设置冒口以后的动态凝固模数；v表示冒口可能的设置位置。如果2#分体是该补缩对象的均衡段，而冒口设置于2#分体上，则由于接触热节、流通效应，2#分体的动态凝固模数增加如虚线圆所示，当这种动态模数增加不致于超过该补缩对象热节分体的凝固模数时，则该阶梯铸件（补缩对象）的凝固时间不变，补缩设计中的M不变即该补缩设计是可靠的。如果直接将冒口设计于热节分体1#上则1 分体凝固时

27、间延长，动态凝固模数增加。即Mc增大、这样，按静态凝固模数Mc进行的补缩设计会由于Mc的动态增加而丧失可靠性。返回铸件均衡凝固技术78 如果冒口设置于3#分体上，进一步减小了接触热节和流通效应的影响和作用范围，但是，要求3#分体的动态模数不能小于该铸件的收缩模数，同时要来沿补缩通道的2#分体必须是满足均衡段定义，工程应用中较难控制。返回铸件均衡凝固技术79 冒口个数确定 冒口的个数取决于补缩对象的划分，如果整体铸件可以作为一个补缩对象，冒口的个数为l;如果铸件需要按不同补缩对象划分，那么，冒口的个数就对应于补缩对象的划分数目。铸件的最少补缩对象划分，取决于均衡段的计算。如果铸件各分体存在一个共

28、同的均衡段，从该均衡段到铸件各个热节分体都存在畅通的补缩通道，则该铸件就可以作为一个补缩对象来考虑，冒口的设置个数为1。否则，需要对铸件进行补缩区域划分，每一个划分区域中的结 构体集合。就是一个独立的补缩对象。铸件均衡凝固技术80 如图2-19，该阶梯铸件的收缩模数为Ms，如果3#分体的凝固模数大于Ms，而2#、4#分体的凝固模数也满足大于Ms 的条件，则3#分体是该阶梯铸件的均衡段，该阶梯铸件可以作为一个补缩对象，冒口个数为1。如果3#分体不能满足Mc3Ms条件，即不满足均衡段定义，那么，该阶梯铸件应按1#十2#3#和3#4#5#两个补缩对象来划分。再按新划分的补缩对象，重新计算各自的Ms，

29、重新确定各自的均衡段，进而按均衡段确定冒口最少个数。铸件均衡凝固技术81返回铸件均衡凝固技术82 确定冒口位置和个数的基本思想 接触热节是均衡凝固理论冒口位置的基础；冒口位置：1）冒口可以直接放在热节顶部，但由于接触热节和流通效应，有使热节模数增大的趋向即动态模数，但冒口设计是按静态模数设计的，这样使冒口设计的可靠性降低。2）可以找一个领近的结构分体，若该分体M 分Ms，则可以保证在AP时间分数里补缩通道畅通且不延长整体凝固时间，此段则为均衡段。铸件均衡凝固技术83 3）如果找不到另外的分体可以满足均衡 段的要求，则要在热节分体上结合冒口颈确定。冒口个数确定：首先确定铸件的几何热节数量，再围绕

30、各个热节确定均衡段，即可确定冒口个数。返回铸件均衡凝固技术84第三节 铸铁件冒口类型及结构 概论 冒口类型 推荐的铸铁件冒口类型 冒口类型的应用 冒口标准化结构返回铸件均衡凝固技术85 概论 按照均衡凝固理论，应避免使用冒口颈为接触处铸件壁厚0.81.0倍的圆柱形、方形、腰圆形热节顶冒口，热节侧冒口同样也不推荐用于铸铁件的补缩设计中。冒口类型 1）热冒口：浇注系统通过冒口将铁液引入型腔的冒口形式强补缩冒口：压边浇冒口、热侧冒口、热飞边冒口、热耳冒口等，用于中、小件；2）冷冒口：浇注系统不通过冒口，冒口中的铁液来自型腔的溢流，铁液温度比型腔低压边冒口、飞边冒口、耳冒口、鸭嘴冒口、冷肋冒口等，用于

31、中大件。返回铸件均衡凝固技术86 推荐的铸铁件冒口类型 1）压边冒口：压边冒口、压边浇冒口、压边浇注系统，见图2-12a、b。2）飞边冒口（与侧冒口的主要区别在于冒口颈）：一般有冒口窝，见图2-12c、d。3）耳冒口：一般无冒口窝，多为冷冒口，主要用于中大件。用于小件时，用热耳冒口形式，见图2-12e、f。4）侧冒口：冒口颈采用扁方形、立扁方形结构形式的侧冒口，有热侧冒口、冷侧冒口，见图2-12g、h。返回铸件均衡凝固技术87 5）鸭嘴冒口：适用于局部热节较大的铸件，多为冷冒口，如图2-12i。6）顶缩颈冒口：冒口颈的最大尺寸为冒口直径的0.5倍。当冒口直径大于150mm200mm时，推荐采用

32、双冒口颈，又名眼镜冒口，此时直径为冒口直径的0.25倍，见图2-12j、k。7）环形冒口：套筒类铸件比较成熟的冒口型式，见图2-12l。铸件均衡凝固技术88 8）出气冒口：位于冒口高处，兼有标志冒口的作用，推荐尺寸为：棒形，5mm、10mm、15mm、20mm；片形eW，5 10mm、10 25mm、15 30mm、20 40mm。见图2-12m。9）冷肋冒口：对局部孤立热节，设置冷肋。棒形冷肋冒口：d=(11.4)Mc，L(510)d；片形冷肋冒口：e=(0.50.7)Mc,W (510)e,L(510)e；见图2-12m。铸件均衡凝固技术89 冒口类型的应用 以补缩为主时：暗冒口优于明冒口

33、，热冒口优于冷 冒口；以排渣排除低温铁液为主时：飞边冒口和耳冒口优 于压边冒口；以出气、激冷为主时：出气冒口、冷肋冒口最为有 效。另外，冒口的使用受到铸件经构、重量和尺寸的限制。1）暗冒口只能放在分型面上 铸件全部在下箱时，优先选用暗冒口。当铸件部分在上箱时，可选 用明冒口、对于单件小批生产的铸件，为保证 铸件质量，提高工艺出品率，必要时可用多箱返回铸件均衡凝固技术90 造型或增加型芯。2）对于小件对于小件，可采用热冒口，不仅有利于补缩，而且不会由于引入集中而使冒口根部出现缩孔 或缩松缺陷。对于较大件对于较大件，为了提高冒口补缩 能力，也可以采用热冒口，但应注意避免集中 从冒口颈进铁液，而应强

34、调有足够数量的内浇 道分散进铁液，这样才不会因为引入铁液过分 集中而使冒口根部出现收缩缺陷。对于厚大件，对于厚大件，由于本身自补缩能力强，一般选用冷冒口、铁 液流程较长时，不管有无热冒口，均应设置溢 流冒口，让流头铁液溢出，防止 气孔、冷隔、夹渣等缺陷，溢流冒口以飞边冒口、耳冒口为 主。铸件均衡凝固技术91 3）按照铸件的结构特点选择冒口类型当铸需要强补缩又在可设置热冒口的范围内时，优先选用压边浇冒口。压边浇冒口充型平稳，补缩效果好，模样制作、造型操作和铸件清理方便、应用时，可根据需要调整冒口形状，用一个冒口补缩多个铸件，从而提高工艺出品率。当铸件为板类或有大平面朝上时，消除铸件上表面缺陷显得

35、特别重要。这时，可优先选用冷飞边冒口或耳冒口，与压边冒口 相比，冷飞边冒口、耳冒口的排渣、排除低温铁液能力强，在内浇道注入的铁液的冲带作用下，低温铁液溢流进入内浇道对面的飞边冒口或耳冒口中。铸件均衡凝固技术92 4）当铸件只能放明冒口而又无补缩要求时可选用出气冒口或冷肋冒口，它具有出气和冷肋作用；当铸件有补缩要求时，则在明冒口中优先选用鸭嘴冒口。顶缩颈冒口适用于高大且壁厚较均匀的铸件。返回铸件均衡凝固技术93 冒口标准化结构 1）标准冒口结构：圆柱形和方形（图2-13、图2-14）；2）冒口冒口颈铸件的过渡连接标准结构（图2-15）返回铸件均衡凝固技术94返回铸件均衡凝固技术95返回铸件均衡凝

36、固技术96返回铸件均衡凝固技术97返回铸件均衡凝固技术98返回铸件均衡凝固技术99返回铸件均衡凝固技术100返回铸件均衡凝固技术101铸件均衡凝固技术102铸件均衡凝固技术103返回铸件均衡凝固技术104冒口设计的工程应用举例 收缩模数列表法冒口设计 分段比例法冒口设计 短薄宽冒口颈设计 冒口设计工程实例返回铸件均衡凝固技术105 收缩模数列表法冒口设计 1.当补缩液量完全由冒口体提供，且为独立冒口补缩时 例1:灰铸铁件Mc=1.0cm,Qm=30kg/cm3,重量G=30kg,现查表确定MN,MR。解：选定Mc=1.0cm栏，根据线形插值原理算出冒口颈模数上下限及冒口模数。例2:灰铸铁件Mc

37、=1.2cm,Qm=30kg/cm3,重量G=52kg,现查表确定MN,MR。解：Mc介于1.01.5之间，Qm介于2040之间，首先在Mc栏内插值，再在Mc栏之间插值。铸件均衡凝固技术106 2.当为非独立冒口补缩时，有多个冒口共同补缩一个铸件的情况，f1为单个冒口同时补缩多个铸件 11111Nff表f1表查表得到的独立冒口补缩f1值N1冒口个数11211Nff）（表N2单个冒口补缩铸件数目铸件均衡凝固技术107浇冒口联合补缩的情况，f1为 经过上述处理后，冒口体设计模数应按公式计算，不应从表中直接查取。同时，上述处理仅对f1和Mr有影响，对表中其他值没有影响。1112211sgMMff表M

38、g直浇道、横浇道凝固模数中的最小值Ms表中查取值返回铸件均衡凝固技术108 分段比例法冒口设计铸件均衡凝固技术109铸件均衡凝固技术110铸件均衡凝固技术111返回铸件均衡凝固技术112 短薄宽冒口颈设计 短薄宽是冒口颈自适应调节作用的技术关键，以冒口颈厚度为基准进行界定。e=(22.5)MN 冒口颈厚度（mm）W5e 冒口颈宽度（mm）L10时，h=H，孔口出流速度v2只和液箱高度H有关，与A1、A2大小无关；2.当5A1/A210时，hH，但相差在5%之内,继续用式（1）计算误差不大；3.当A1/A25时，hH，孔口流速明显减小，液箱流速明显增大。铸件均衡凝固技术128 4.实验表明，浇注

39、系统流速不仅与压头有关，还与截面积比有关。铸件均衡凝固技术129浇注系统大孔出流 1.实际作用压头随截面比的变化（图4-2)2.孔口出流速度随截面比的变化（图4-3）3.大孔出流(large orifice discharge)定义:直浇道、横浇道、内浇道截面积比值小于5的浇注系统出流为大孔出流。返回铸件均衡凝固技术130返回铸件均衡凝固技术131第二节 浇口杯、直浇道、内浇道三单元浇注系统大孔出流研究 水力模拟实验 数学模型 充填动态参数返回铸件均衡凝固技术132 水力模拟实验 1.三单元浇注系统水力模拟模型：浇口杯-直浇道-浇口窝-内浇道模型（图4-4）。模型用3mm厚有机玻璃制作，模拟介

40、质为水，20；测压管：9mm玻璃管。水连续注入加水室，通过泡沫塑料隔板进入液箱，减小动压头，并使压头H稳定。2.实验结果见表4-1返回铸件均衡凝固技术133 数学模型：选择指数曲线类型对实验数据回归分析，以确定流速与出流压头之间的关系，结果如下：1.内浇道出流速度v2与测压管液柱h的回归关系:v2 回=38.4h0.48 =0.85,说明用理论公式计算压头是可行的。gH2v5.048.048.023.444.3824.38hhghh铸件均衡凝固技术134 2.直浇道出流速度v1与压头差(H-h)的回归关系:回归方程 相关因数 R=0.9782(R0.01=0.590)显著性 F=6841.8(

41、F0.01(1,16)=8.53)标准偏差 S=2.86 49.01)(8.39hHv回5.01)(3.44)(2hHhHgv铸件均衡凝固技术135 试验测定=0.85，用理论计算公式合理。根据连续性原理，稳定出流时，qv1=qv2 得到 其中k=1A1/2A285.0)(2)(8.3949.01hHghHHkkh221(4-10)铸件均衡凝固技术136 由式（4-10）可知：1）k 0时，hH；2）A1，A2减小，k增加，趋于“封闭”，h增加，符合封闭式浇注系统易于充满的理论。当k时，既A2 0时，h=H。当A2很小时，k很大，符合托里拆利小孔出流定律。3）A1，A2增加，k减小，趋于“开放

42、”，h减小，符合开放式浇注系统不易充满的理论。4）总压头 H越大，h也越大。5）直浇道在h高度内处于正压充满状态，不会出现负压吸气现象。返回铸件均衡凝固技术137返回铸件均衡凝固技术138返回铸件均衡凝固技术139 充型动态参数 1.内浇道出流压头（图4-5）2.内浇道流速（图4-6）3.直浇道流速（图4-8）4.内浇道出流流量：不应当单纯用阻流面积来决定，要考虑截面比影响，与传统算法不同。5.01)(3.44)(2hHhHgv返回铸件均衡凝固技术140返回铸件均衡凝固技术141返回铸件均衡凝固技术142铸件均衡凝固技术143第三节 浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道四单元浇注系统大孔出流研究 四

43、单元浇注系统实际作用压头 水力模拟实验分析 四单元浇注系统充填过程动态参数的确定返回铸件均衡凝固技术144 四单元浇注系统实际作用压头返回铸件均衡凝固技术145qv1、qv2、qv3分别为直浇道、横浇道、内浇道的流量；A1、A2、A3分别为直浇道、横浇道、内绕道的截面积；1、2、3分别为直浇道、横浇道、内浇道的流量因数 H直浇道压头，定义为从浇口杯 面到内浇道中心线的垂直距离；h2 横浇道压头，定义为从内浇道中心线到安装在浇口窝处的测压管液面垂直距离；h3内浇道压头，定义为从内浇道中心线到安装在横浇道顶面或侧面的测压管液面垂直距离。根据液体流动的连续性方程，浇注系统处于稳定的出流状态时，一（。

44、一t、。铸件均衡凝固技术146铸件均衡凝固技术147h2、h3 的物理意义如下。（1）h2是横浇道液体流动的实际压头，同时也是直浇道液体流动的反压头。当直浇道底部截面积小于顶部时，决定直绕道流速的压头为(H-h2)，h2越大。直浇道流速越小，将有利于渣、气在直绕道中的分离上浮。在h2的直浇道高度内，直浇道一定呈正压状态，不管直浇道形状如何（上大下小或上小下大），h2 段直浇道（砂型）壁都不会产生吸气现象。铸件均衡凝固技术148（2）h3是作用在内浇道上的实际压头 在H一定时,调整浇注系统有效截面比k1、k2，就 可以调整h3的大小，从而达到控制内浇道出流速度、流量及平稳性的目的。h3也是金属液

45、在h2压头作用下流入横浇道的反压头，(h2h3）的大小决定横浇道的流速。凡是有利于减小（h2 h3）值的因素，都可以降低横浇道流速，减小紊流程度，提高金属液在横浇道中流动的平稳性，减轻氧化，有利于熔渣上浮。铸件均衡凝固技术149（3）h3 可以作为横浇道的充满判据 设横浇道高度为h横，内浇道高度为h内。1）当h3（h横h内2）时，横浇道不充满，不充满的程度用（h横h内/2h3）的值表示。2）当h3=（h横h内/2）时，横浇道临界充满，金属液已和横浇道顶部接触，但对顶部型壁 无压力。3）当h3（h横h内）时，横浇道充满，而且充满有余。用h3（h横一h内/2）的值表示 横浇道充满有余的程度。铸件均

46、衡凝固技术150 为简化起见，直接称h3 为横浇道充满程度判据或充满判据、这里的程度”包含两个意思 一是不充满程度h欠，二是充满有余程度h余 其值分别为 h欠=（h横h内/2）h3 (4-22)h余=h3（h横h内/2)(4-23)应该指出，横浇道呈不充满状态时，式（422）的计算值有一定误差这是由于内浇道中心标注法的缘故。返回铸件均衡凝固技术151 水力模拟实验分析铸件均衡凝固技术152 1）横浇道压头和内浇道压头的主要影响因素是直浇道压头和截面积比；2）“封闭”和“开放”没有明显界限，封闭比开放充满有余多，但二者均是充满的；3）在直浇道压头和其他截面积不变的条件下，横浇道面积对压头影响较大

47、，并非传统中只有阻流截面积是唯一影响因素；4）由于内浇道流量与面积成正比，与压头的开方成正比，所以增大内浇道截面积是实现“大流量、低流速”充型的有效措施；5）横浇道上不同的内浇道处流量不同。返回铸件均衡凝固技术153 四单元浇注系统充填过程动态参数的确定 浇注过程中，当型腔中金属液淹没内浇道后，会对浇注系统的流动产生反压作用，横浇道压头h2、内浇道压头h3要发生变化。以下分顶注、底注、中注条件下的情况进行分析（图4-11）。返回铸件均衡凝固技术154铸件均衡凝固技术155（一）顶注 横浇道压头：内浇道压头：内浇道流量：铸件均衡凝固技术156铸件均衡凝固技术157铸件均衡凝固技术158（二）底注

48、：铸件均衡凝固技术159铸件均衡凝固技术160铸件均衡凝固技术161铸件均衡凝固技术162（三）中注 内浇道从中部引入，下部型腔高度为c1，上部型腔高度c2。充填下型腔时，相当于顶注，用顶注公式；充填上半型时，相当于底注条件，用底注公式，两者结合，可以求出中间注入式充型动态参数的计算公式返回铸件均衡凝固技术163第四节 浇注系统大孔出流工程计算 浇注系统的工程计算 计算实例铸件均衡凝固技术164 浇注系统的工程计算铸件均衡凝固技术165铸件均衡凝固技术166铸件均衡凝固技术167铸件均衡凝固技术168铸件均衡凝固技术1692.流量因数值的确定 水力模拟试验流量团数值是在稳定出流条件下测定的、考

49、虑到实际生产中，浇注系统充满要有一个过程，浇注初期的认流和浇注后期的收包等现场操作的不稳定、合金化学成分和浇注温度存在差异、内浇道引入位置、横浇道长度及弯度、铸型复杂程度和铸型内气体压力对流动的影响等，这些因素使生产实际中的流量团数 值会产生波动并小于水力模拟值。一般可取水为模拟试验值的70作为工程计算值。根据模拟试验值和对国内工厂生产实际的统计测定,推荐如下:三单元浇注系统 1=0.60 0.65 2=0.55 0.60 四单元浇注系统 1=0.50 0.65 2=0.50 0.65 3=0.45 0.60铸件均衡凝固技术170顶注条件取3=0.550.60；中间注入式取3=0.50；底注条

50、件和横浇道长度超过1000mm或曲 折转向时取3=45当铸件壁较薄，铸型复杂，铁液浇注温度 不高时，底注条件下可取 3=0.35 0.40铸件均衡凝固技术171浇注系统截面尺寸的确定与计算 考虑浇注系统截面比和实际的作用压头hp，按照所推荐的范围选取流量因数3，其结果可使按经典的计算公式所得的内浇道截面积偏小的问题得到改善。计算步骤如下；浇注系统类型为L形或对称的T形结构。L形是指直浇道位于横浇道的端部，T形是指直浇道位于横浇道的中间，两侧横浇道上的内浇道对称分布，计算横绕道和内浇道截面积分别为两侧截面积的总和。铸件均衡凝固技术172 选择内浇道引入铸件的位置，即引注方式，如上注、中注、底注。

51、画出铸件工艺草图及浇注系统方案，确定直浇道压头H。根据合金种类、铸件结构及铸型条件选择浇注系统截面比A直:A横:A内。即A1:A2:A3。选取流量因数1、2、3，计算有效截面比k1、k2。22111AAk33111AAk铸件均衡凝固技术173 计算内绕道实际出流压头h3及平均压头hp。选取和计算浇注时间。计算内浇道截面积式中G铸件浇注总重量kg）；金属须密度（kg/cm3）;3内浇道流量因数；浇注时间；g重力加速度(981cm/s2)hp平均压头（crn）；A3内浇道截面积（cm2）。pghGA233铸件均衡凝固技术174 不管是封闭式还是开放式，或者是半封闭式，按上式计算的值均为内浇道截面积

52、A3的值。根据浇注系统截面比确定A直、A横。核算金属液在直浇道、横浇道和内浇道中的流速、流量及型腔液面上升速度，并作出合理与否的判断。确定浇注系统其他组成单元（浇口杯、浇口窝等）的结构与尺寸。如有必要重新选择浇注系统截面比，进行计算并比较，直至满意为止。生产考核与验证。返回铸件均衡凝固技术175铸件均衡凝固技术176返回铸件均衡凝固技术177铸件均衡凝固技术178铸件均衡凝固技术179铸件均衡凝固技术180铸件均衡凝固技术181铸件均衡凝固技术182铸件均衡凝固技术183铸件均衡凝固技术184铸件均衡凝固技术185铸件均衡凝固技术186铸件均衡凝固技术187铸件均衡凝固技术188铸件均衡凝固技术189铸件均衡凝固技术190铸件均衡凝固技术191铸件均衡凝固技术192铸件均衡凝固技术193铸件均衡凝固技术194铸件均衡凝固技术195铸件均衡凝固技术196铸件均衡凝固技术197铸件均衡凝固技术198铸件均衡凝固技术199铸件均衡凝固技术200铸件均衡凝固技术201铸件均衡凝固技术202铸件均衡凝固技术203铸件均衡凝固技术204铸件均衡凝固技术205铸件均衡凝固技术206铸件均衡凝固技术207铸件均衡凝固技术208