冒口系统设计

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1、冒口系统设计一、冒口设计1. 冒口设计的基本原则1）冒口的凝固时间应大于或等于铸件（被补缩部分）的凝固时间。2）冒口应有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩，补缩浇注后型腔扩大的体积。3）在铸件整个凝固的过程中，冒口与被补缩部位之间的补缩通道应该畅通，即使扩张角始 终向着冒口。对于结晶温度间隔较宽、易于产生分散性缩松的合金铸件，还需要注意将冒口 与浇注系统、冷铁、工艺补贴等配合使用，使铸件在较大的温度梯度下，自远离冒口的末端 区逐渐向着冒口方向实现明显的顺序凝固2. 冒口设计的基本内容1）冒口的种类和形状1）冒口的种类普通冒口通用冒口（传统）特种冒口依位置分依顶部覆盖

2、分依加压方式分依加热方式分顶冒口 侧冒口 贴边冒口明冒口、暗冒口大气压力冒口 压缩空气冒口、发气压力冒口 保温冒口 发热冒口 加氧冒口 电弧加热冒口，煤气加热冒口易割冒口铸铁件的实用冒口均衡凝固）直接实用冒口（浇注系统当 控制压力冒口冒口无补缩冒口）图 1 冒口分类2）冒口的形状常用的冒口有球形、圆柱形、长方体形、腰圆柱形等。对于具体铸件，冒口形状的选择 主要应考虑以下几方面:a）球形 b）球顶圆柱形c）圆柱形d）腰圆柱形（明）e）腰圆柱形（暗）图 2 常用的冒口形状 冒口的补缩效果：冒口的形状不同，补缩效果也不同，常用冒口模数（M）的大小来 评定冒口的补缩效果（M-冒口体积/冒口散热面积），

3、在冒口体积相同的情况下，球形冒口的 散热面积最小，模数最大，凝固时间最长，补缩效果最好，其它形状冒口的补缩效果，依次 为圆柱形，长方体形等。 铸件被补缩部位的结构情祝： 冒口形状的选泽还要考虑铸件被补缩部位的结构形状 和造型工艺是否方便。球形冒口的补缩效果虽好，但是造型起模困难，在铝、镁合金铸造生 产中较少采用，而应用最广泛的是圆柱形明冒口，这种冒口的补缩效果较好，造型起模方便。 有时由于铸件结构形状的需要，亦采用长方柱体和扇形冒口，只是将其四棱的尖角改为较大 的圆角，以防止边角效应影响补缩效果。经改进后的这些冒口就称为椭圆柱体冒口和腰形， 冒口。在铸钢件生产中则经常使用球顶圆柱形暗冒口。2.

4、 冒口的补缩原理1）冒口与铸件间的补缩通道在铸件凝固过程中，要使冒口中的金属液能够不断地补偿铸件的体收缩，冒口与铸件被 补缩部位之间应始终保持着畅通的补缩通道。否则，冒口再大也起不到补缩作用。2）冒口的有效补缩距离冒口作用区长度和末端区长度之和称为冒口有效补缩距离。正确确定冒口的有效补缩距 离是很重要的工艺间题。冒口的有效补缩距离与合金种类、铸件结构、几何形状以及铸件凝固方向上的温度梯度 有关，也和凝固时析出气体的反压力及冒口的补缩压力有关。详见铸造工艺学p2552573）工艺补贴的应用在实际生产中往往有些铸件需补缩的高度超过冒口的有效补缩距离。由于铸件结构或铸 造工艺上不便，难以在中部设置暗

5、冒口，此时单靠增加冒口直径和高度，补缩效果很不明显， 况且增大冒口会使大量液流经过内浇道，使铸件在内浇道附近和冒口根部因过热而产生疏 松。在这种情况下，一般采用在铸件壁板的一侧增加工艺补贻的方法，来增加冒口的有效补 缩距离，提高冒口的补缩效率（如下图）冒口位置的选择对获得优质铸件有着重要的意义。冒口位置选择不当，不仅不能消除铸 件的缩孔和疏松，反而会使铸件产生裂纹，加重冒口附近的疏松，还会给清理、切割等工序 带来不便。1）、冒口位置选择的原则：（1）冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁。（2）冒口应尽量设在铸件最高、最后的部位。（3）冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防止组织粗大降低强度。

6、（4）冒口位置不要选在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹。（5）尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件。（6）冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好。（7）不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。2）、冒口数量的确定 关于冒口数量,一般是按照冒口有效补缩距离、冒口延续度和工艺出品率进行 确定与校核的。合理施放冷铁,延长有效补缩距离,可以减少冒口个数。4. 冒口尺寸的确定 合理地确定冒口尺寸，在铸造生产中是一个很重要的工艺问题。目前还缺少一种适合各 种合金、各种结构铸件、被大家所公认的确定冒口尺寸的办法，往往都采用在特定条件下根 据生产经验总结出来的近

7、似计算法。因此在应用这些方法时，要注意结合生产的具体情况， 才能得到较好的结果。具体将在后面冒口设计的常用方法中详细说明。5、评定冒口补缩作用的方法 冒口尺寸确定得是否可靠、合理，冒口是否发挥了有效补缩作用、应通过生产实践的检验，其检验或评定的方法主要有以下4种1）比较铸件实收率 铸件实收率又称工艺出品率，常用下式表示GcGc+Gr+GgX100%1）式中：a铸件实收率，（）Gc, Gr, Gg分别为铸件、冒口和浇注系统的重量，（kg）将按上式计算的结果与根据生产经验所规定的同类铸件的实收率相比较，若小于经验数 据，则说明冒日尺寸过大，应予以适当减小（一般是减小冒口高度）。反之，如果大于本厂的

8、 经验数据，则冒口尺寸可能偏小，应适当加大冒口尺寸或采取其它工艺措施提高冒口的补缩 效率。2）实际检验铸件质量: 按照有关标准和验收技术文件规定的项目来检验铸件质量，如通过 X 光透视检查铸件是否有与冒口设计有关的缩孔和缩松缺陷，此种方法对结晶温度范围较 窄，易产生集中缩孔的合金铸件比较有利。3）检验冒口的缩孔深度4）测定冒口凝固时间变化率 后两种详见铸造工艺学p2642656. 提高冒口补缩效率的方法在铸造生产中，冒口的重量约为铸件重量的50%100%，在铝合金和镁合金砂型铸造中 有的冒口重量甚至是铸件重量的二倍以上，铸件实收率很低，冒口的补缩效率不高、去除冒 口的劳动量大。因此，采取措施努

9、力提高冒口的补缩效率，对于节约能量、劳力和降低铸件 生产成本具有重要意义。要提高冒口的补缩效率，最有效的途径是增加冒口的补缩压力和廷 长冒口的凝固时间，在工艺上经常采用的措施有:1）大气压力冒口2）保温冒口3）发热冒口4）易割冒口以上措施详细参考铸造工艺学p265p2693. 冒口设计的常用方法常用冒口设计方法有以下六种：1）模数法广泛应用于铸钢件冒口设计中，也适用于铸铁件，非铁合金铸件的冒口设计。2）周界商法基于模数理论的铸钢件冒口设计方法。3）收缩模数法用于灰铸铁件和球墨铸铁件冒口设计。4）热节圆法种经验性方法，以热节圆和补缩液量为依据，适用于各种类型的中、 小铸钢件冒口设计，也用于铸铁件

10、冒口设计。5）K值法它是模数法中比较实用的方法之一，用于铸钢件，铸铁件等铸件冒口设 计。6）比例法确定冒口尺寸最常用的方法，尤其是在铝、镁合金铸件的生产中得到广 泛的应用。二冷铁的设计为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的激冷物称作冷铁.铸造生产中 常将冷铁、浇注系统和冒口配合使用，控制铸件的凝固过程，以获得合格铸件。在此只是简 单的介绍。1. 冷铁的分类1）内冷铁 将金属激冷物插入铸件型腔中需要激冷的部位，使合金激冷并同铸件熔为一体， 这种金属激冷物称为内冷铁，内冷铁主要用于黑色金属厚大铸样。2）外冷铁 外冷铁又分为直接外冷铁和间接外冷铁两类。（1）直接外冷铁是只与铸件的部分内外

11、表面接触而不熔接在一起的金属激冷物，实际上它 成为铸型或型芯的部分型腔表面。（2）间接外冷铁同被激冷铸件之间有1015mm厚的砂层相隔，故又称隔砂冷铁、暗冷铁. 间接外冷铁激冷作用弱，应用较少。2. 冷铁的作用1）与浇注系统和冒口配合控制铸件的凝固次序。2）加速铸件的凝固速度，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能。3. 冷铁材料的选择 可以制作冷铁的材料很多，凡是比砂型材料的热导率、蓄热系数大的金属和非金属材料均可选用。生产中常用的冷铁材料有铸铁、铝合金、石墨和铜合金等，各种冷铁材料的热物 理系数见下表1表 1 各种冷铁材料的热物理性能虧崖P比热匸导温照戦W/7m V?)(mR/a)啊20& P3

12、0孤.E362.L671U4 X 10_3002 680叽327.1.351.1 y to、7 20(?6S9, 9打,2L.347. 78 X 10_*207 S50466,5+ 5. 51.3l. 2S X ；0 (摘1 2007 5U069. 931. 5K2f6,3 X 10 1人磴石屡1 5601 356. 112. 8h战I QQO3 10G1 CK8.电3-50.344kX LO *4. 冷铁的设计 冷铁的设计是铸造工艺设计的一个重要组成部分，它对获得合格、优质铸件起着很大的 作用。设计冷铁的主要内容是确定冷铁放置的位置，冷铁的形状和尺寸。1）冷铁安放位置的确定冷铁能否充分发挥作

13、用，关键在于安放的位置是否合理。确定冷铁在铸型中的位置， 主要取决于要求冷铁所起的作用以及铸件的结构、形状，同时还需要考虑冒口和浇注系统的 位置。（1）要求冷铁所起作用的分析:对需要自下而上顺序凝固的铸件，一般将冷铁放在铸型的下部。对于铸件上的某些局部热节，为使其早凝固或整个铸件同时凝固，冷铁自然应放于热节 部位，或热节附近。结晶温度间隔宽的合金，常在转角处产生热裂和缩松，若在转角处设里冷铁，对防止热 裂有明显的作用。（2）铸件结构的分析:在不宜安放冒口的厚大部位一般均应放冷铁，靠近内浇道处，或被金属液所包围的型芯 部位，散热条件很差，也应该放冷铁.壁厚较大的镁合金平板类铸件，水平浇注时，由于

14、水平面积较大，易于燃烧，在铸件底 部放冷铁，可以减少铸件的燃烧缺陷。但对于薄壁平板件，则尽量少用或不用冷铁，即使非 用不可时，也不应在大面积上使用冷铁，避免铸件产生浇不到缺陷。（3）与冒口配合使用由于冷铁没有补缩作用，铸件和热节的补缩仍由冒口供给，所以冷铁位置的确定应和冒 口的位置同时考虑。冷铁位置应与冒口有一定的距离，使铸件凝固时沿着从安放冷铁部位向 冒口方向顺序凝固，有人称冷铁与冒口之间的距离为冷铁的作用距离.冷铁作用距离与冷铁 材料的热物理性能、铸件的合金种类及壁厚尺寸有关。合金结晶温度间隔越宽，铸件壁厚越 小，铸件技术要求越高，冷铁与冒口之间距离应相应缩小。（4）浇注系统及引入位置的影

15、响:选择冷铁安放位置时，还要考虑浇注系统及引入位置对铸件温度分布和冷铁作用的影 响。采用底注式浇注系统时，一般均在铸件底部放置冷铁。采用缝隙式浇注系统时，除在铸 件底部放冷铁外，还应在远离缝隙处（两个立缝之间）放置冷铁，增大立筒的横向补缩作用。2） 冷铁形状的确定冷铁的形状取决于使用冷铁部位铸件的形状和冷铁所应起的作用.常用冷铁分为成型冷 铁和平面冷铁两类，其形状如图三所示。在铸件理论型面及转角处一般使角成型冷铁，冷铁 的形状应与放置冷铁的铸件形状相符合。在铸件底部、端部和平面部分，常放置平面冷铁。 实际生产中常使用长方形、圆形、方形的冷铁。其厚度一般为10.12,15,20,30mm。也常制

16、 出一批长、宽尺寸不同、直径不同的标准冷铁供生产中选用。这样有利于管理、有利于缩短 试制和全产周期。3) 冷铁尺寸的确定(1)外冷铁 外冷铁的厚度根据经验，外冷铁的厚度见下表2序号适用条件外冷铁的厚度序号适用条件外冷铁的厚度1灰铁铸件5 = （0.250.5） T4铸钢件5 = （0.30.8） T2球墨铸铁件5 = （0.30.8） T5铜合金件5 = （0.61.0） T3可锻铸铁件5 =1.0T6轻合金件5 = （0.81.0） T注：T 铸件热节圆直径。对轻合金件，当T大于2.5倍铸件壁厚时，需配合冒口使用。 外冷铁的工作表面积: 冷铁有一定的激冷面积，对铸件的大平面，尤其是铸钢件大平

17、面不宜放置壁厚不变的大 块冷铁. 在大型铸钢件的厚壁平面上常散布若干小块冷铁来组成冷铁组，这样常要计算一个 冷铁能激冷多大面积，即要计算冷铁的工作表面积。设在铸件底面和内侧面的外冷铁，在重力和铸件收缩力作用下同铸件表面紧密接触，称 为无气隙外冷铁;设在铸件顶部和外侧的冷铁属于气隙外冷铁。相关文献指出，对于铸钢件，无气隙外冷铁的激冷效果，相当于在原有砂型的散热表面 上，净增了两倍的冷铁工作表面积(As=Ao+2Acl):有气隙外冷铁的效果，相当于在原有的砂 型散热面积上净增了一倍的冷铁工作表面积(As=Ao+Ac2)。应用了外冷铁使铸件凝固时间缩 短，相当于使铸件模数由Mo减小为Ml，由此可导出

18、外冷铁工作表面积As。对无气隙外冷铁有As - AoAc1=一2VoMl2VoMoVo （Mo-Ml）（ 2）2MoM1对有气隙外冷铁有VoVoVo （Mo-Ml）Ac2= As - Ao =- （ 3 ）MlMoMoMlAc，As，Ao 冷铁工作表面积、砂型等效面积、铸件的表面积;Mo, Ml铸件原模数，使用冷铁后铸件的等效模数;4)Vo VoM1=A1 Ao+Ac2+2Ac1其中 Acl， Ac2 为无气隙、有气隙冷铁工作面积。铸造设计人员可依工艺需要确定Ml的大小，然后利用式(1) , (2)计算出外冷铁的工 作表面积 .当实现同时凝固时， Ml 等于热节四周薄壁部分的模数 ;实现顺序凝

19、固时， M1=(0.830.91)Mp, Mp是热节旁补缩壁的模数。经验证明，只有满足Mp20.67Mo的条件 下，才能用外冷铁消除热节的影响。 外冷铁的重量为防止外冷铁被铸件熔接，应计算或校核外冷铁的重量。原理：铸件(热节部分)的质量为W。，用外冷铁激冷后，铸件模数M。减少为等效模数Ml，对应Ml的铸件质量为W1，则质量差(Wo-Wl)所含的过热热量和结晶潜热应为外冷铁吸收并使之升温。设 CL,Cs，固体的比热容，铸件凝固结束时允许外冷铁最高温度为600依据热平衡原理,L导出Wc5)(L+AtCL)(Mo - M) Wo600 x CsMo式中 At 过热度L结晶潜热。( 2) 内冷铁 内冷

20、铁的激冷作用比外冷铁强，通常是在外冷铁激冷作用不足时才使用内冷铁，主要 用于壁厚而技术要求不太高的铸件上，特别是铸钢件。详见铸造工艺设计p334p351 设计注意：各种冷铁的尺寸一般不宜过大，长度尺寸不大于200 mm。冷铁尺寸过大，反复使用后 会出现变形，既降低冷铁的激冷作用，又影响铸件尺寸精度。较长或面积较大的冷铁，应分 块使用，冷铁与冷铁之间应留有间隙。冷铁之间的间隙一般为3一5 mm ，间隙过小，造型时间隙中的型砂不易紧实，合箱 时易掉砂，并易钻入金属液，形成披缝，阻碍铸件的收缩造成热裂缺陷。间隙过大，在间隙 处形成热节，出现缩松和缩裂缺陷。冷铁的厚度大小应逐步向边缘处减薄，使激冷作用缓和过渡，避免铸件在冷铁边缘产生 裂纹，对于镁合金铸件，尤为重要。冷铁工作表面一般应开设通气槽。回用冷铁应进行吹砂处理，以去除表面的旧砂、油污 和氧化物.冷铁工作表面应涂敷石英砂，防止冷铁和铸件熔焊在一起。