冒口系統(tǒng)設計

1、冒口系統(tǒng)設計一冒口設計1. 冒口設計的基本原則1）冒口的凝固時間應大于或等于鑄件(被補縮部分)的凝固時間。2）冒口應有足夠大的體積，以保證有足夠的金屬液補充鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮，補縮澆注后型腔擴大的體積。3）在鑄件整個凝固的過程中，冒口與被補縮部位之間的補縮通道應該暢通，即使擴張角始終向著冒口。對于結晶溫度間隔較寬、易于產生分散性縮松的合金鑄件，還需要注意將冒口與澆注系統(tǒng)、冷鐵、工藝補貼等配合使用，使鑄件在較大的溫度梯度下，自遠離冒口的末端區(qū)逐漸向著冒口方向實現(xiàn)明顯的順序凝固2. 冒口設計的基本內容1）冒口的種類和形狀 （1)冒口的種類圖1 冒口分類（2）冒口的形狀常用的冒口有球形、圓柱形

2、、長方體形、腰圓柱形等。對于具體鑄件，冒口形狀的選擇主要應考慮以下幾方面:a）球形 b)球頂圓柱形 c）圓柱形 d）腰圓柱形（明） e）腰圓柱形（暗）圖2 常用的冒口形狀冒口的補縮效果: 冒口的形狀不同，補縮效果也不同，常用冒口模數（M）的大小來評定冒口的補縮效果(M=冒口體積/冒口散熱面積)，在冒口體積相同的情況下，球形冒口的散熱面積最小，模數最大，凝固時間最長，補縮效果最好，其它形狀冒口的補縮效果，依次為圓柱形，長方體形等。鑄件被補縮部位的結構情祝: 冒口形狀的選澤還要考慮鑄件被補縮部位的結構形狀和造型工藝是否方便。球形冒口的補縮效果雖好，但是造型起模困難，在鋁、鎂合金鑄造生產中較少采用，

3、而應用最廣泛的是圓柱形明冒口，這種冒口的補縮效果較好，造型起模方便。有時由于鑄件結構形狀的需要，亦采用長方柱體和扇形冒口，只是將其四棱的尖角改為較大的圓角，以防止邊角效應影響補縮效果。經改進后的這些冒口就稱為橢圓柱體冒口和腰形，冒口。在鑄鋼件生產中則經常使用球頂圓柱形暗冒口。2. 冒口的補縮原理1）冒口與鑄件間的補縮通道在鑄件凝固過程中，要使冒口中的金屬液能夠不斷地補償鑄件的體收縮，冒口與鑄件被補縮部位之間應始終保持著暢通的補縮通道。否則，冒口再大也起不到補縮作用。2）冒口的有效補縮距離冒口作用區(qū)長度和末端區(qū)長度之和稱為冒口有效補縮距離。正確確定冒口的有效補縮距離是很重要的工藝間題。 冒口的有

4、效補縮距離與合金種類、鑄件結構、幾何形狀以及鑄件凝固方向上的溫度梯度有關，也和凝固時析出氣體的反壓力及冒口的補縮壓力有關。詳見鑄造工藝學p2552573）工藝補貼的應用在實際生產中往往有些鑄件需補縮的高度超過冒口的有效補縮距離。由于鑄件結構或鑄造工藝上不便，難以在中部設置暗冒口，此時單靠增加冒口直徑和高度，補縮效果很不明顯，況且增大冒口會使大量液流經過內澆道，使鑄件在內澆道附近和冒口根部因過熱而產生疏松。在這種情況下，一般采用在鑄件壁板的一側增加工藝補貽的方法，來增加冒口的有效補縮距離，提高冒口的補縮效率（如下圖）圖3 鑄件補貼工藝示意圖3. 冒口位置的確定冒口位置的選擇對獲得優(yōu)質鑄件有著重要

5、的意義。冒口位置選擇不當，不僅不能消除鑄件的縮孔和疏松，反而會使鑄件產生裂紋，加重冒口附近的疏松，還會給清理、切割等工序帶來不便。1）、冒口位置選擇的原則：（1）冒口應就近設在鑄件熱節(jié)的上方或側旁。（2）冒口應盡量設在鑄件最高、最后的部位。（3）冒口不應設在鑄件重要的、受力大的部位，以防止組織粗大降低強度。（4）冒口位置不要選在鑄造應力集中處，應注意減輕對鑄件的收縮阻礙，以免引起裂紋。(5) 盡量用一個冒口同時補縮幾個熱節(jié)或鑄件。（6）冒口布置在加工面上，可節(jié)約鑄件精整工時，零件外觀好。（7）不同高度上的冒口，應用冷鐵使各個冒口的補縮范圍隔開。2）、冒口數量的確定關于冒口數量,一般是按照冒口有

6、效補縮距離、冒口延續(xù)度和工藝出品率進行確定與校核的。合理施放冷鐵,延長有效補縮距離,可以減少冒口個數。4. 冒口尺寸的確定合理地確定冒口尺寸，在鑄造生產中是一個很重要的工藝問題。目前還缺少一種適合各種合金、各種結構鑄件、被大家所公認的確定冒口尺寸的辦法，往往都采用在特定條件下根據生產經驗總結出來的近似計算法。因此在應用這些方法時，要注意結合生產的具體情況，才能得到較好的結果。具體將在后面冒口設計的常用方法中詳細說明。5、評定冒口補縮作用的方法 冒口尺寸確定得是否可靠、合理，冒口是否發(fā)揮了有效補縮作用、應通過生產實踐的檢驗，其檢驗或評定的方法主要有以下4種1) 比較鑄件實收率 鑄件實收率又稱工藝

7、出品率，常用下式表示a=×100% （1） 式中： a鑄件實收率，（%） Gc，Gr，Gg分別為鑄件冒口和澆注系統(tǒng)的重量，（kg）將按上式計算的結果與根據生產經驗所規(guī)定的同類鑄件的實收率相比較，若小于經驗數據，則說明冒日尺寸過大，應予以適當減小(一般是減小冒口高度)。反之，如果大于本廠的經驗數據，則冒口尺寸可能偏小，應適當加大冒口尺寸或采取其它工藝措施提高冒口的補縮效率。2) 實際檢驗鑄件質量: 按照有關標準和驗收技術文件規(guī)定的項目來檢驗鑄件質量，如通過X光透視檢查鑄件是否有與冒口設計有關的縮孔和縮松缺陷，此種方法對結晶溫度范圍較窄，易產生集中縮孔的合金鑄件比較有利。3) 檢驗冒口的

8、縮孔深度4) 測定冒口凝固時間變化率 后兩種詳見鑄造工藝學p2642656.提高冒口補縮效率的方法在鑄造生產中，冒口的重量約為鑄件重量的50%100%，在鋁合金和鎂合金砂型鑄造中有的冒口重量甚至是鑄件重量的二倍以上，鑄件實收率很低，冒口的補縮效率不高、去除冒口的勞動量大。因此，采取措施努力提高冒口的補縮效率，對于節(jié)約能量、勞力和降低鑄件生產成本具有重要意義。要提高冒口的補縮效率，最有效的途徑是增加冒口的補縮壓力和廷長冒口的凝固時間，在工藝上經常采用的措施有:1）大氣壓力冒口2）保溫冒口3）發(fā)熱冒口4）易割冒口以上措施詳細參考鑄造工藝學p265p2693. 冒口設計的常用方法常用冒口設計方法有以

9、下六種：1）模數法廣泛應用于鑄鋼件冒口設計中，也適用于鑄鐵件，非鐵合金鑄件的冒口設計。2）周界商法基于模數理論的鑄鋼件冒口設計方法。3）收縮模數法用于灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件冒口設計。4）熱節(jié)圓法種經驗性方法，以熱節(jié)圓和補縮液量為依據，適用于各種類型的中小鑄鋼件冒口設計，也用于鑄鐵件冒口設計。5）K值法它是模數法中比較實用的方法之一，用于鑄鋼件，鑄鐵件等鑄件冒口設計。6）比例法確定冒口尺寸最常用的方法，尤其是在鋁、鎂合金鑄件的生產中得到廣泛的應用。二冷鐵的設計為增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內部及工作表面安放的激冷物稱作冷鐵.鑄造生產中常將冷鐵、澆注系統(tǒng)和冒口配合使用，控制鑄件的凝固過程，以獲得合格

10、鑄件。在此只是簡單的介紹。1. 冷鐵的分類1） 內冷鐵 將金屬激冷物插入鑄件型腔中需要激冷的部位，使合金激冷并同鑄件熔為一體，這種金屬激冷物稱為內冷鐵，內冷鐵主要用于黑色金屬厚大鑄樣。2）外冷鐵 外冷鐵又分為直接外冷鐵和間接外冷鐵兩類。（1） 直接外冷鐵是只與鑄件的部分內外表面接觸而不熔接在一起的金屬激冷物，實際上它成為鑄型或型芯的部分型腔表面。（2）間接外冷鐵同被激冷鑄件之間有1015mm厚的砂層相隔，故又稱隔砂冷鐵、暗冷鐵.間接外冷鐵激冷作用弱，應用較少。2. 冷鐵的作用1）與澆注系統(tǒng)和冒口配合控制鑄件的凝固次序。2）加速鑄件的凝固速度，細化晶粒組織，提高鑄件的力學性能。3. 冷鐵材料的選

11、擇可以制作冷鐵的材料很多，凡是比砂型材料的熱導率、蓄熱系數大的金屬和非金屬材料均可選用。生產中常用的冷鐵材料有鑄鐵、鋁合金、石墨和銅合金等，各種冷鐵材料的熱物理系數見下表1表1 各種冷鐵材料的熱物理性能4. 冷鐵的設計冷鐵的設計是鑄造工藝設計的一個重要組成部分，它對獲得合格、優(yōu)質鑄件起著很大的作用。設計冷鐵的主要內容是確定冷鐵放置的位置，冷鐵的形狀和尺寸。1)冷鐵安放位置的確定 冷鐵能否充分發(fā)揮作用，關鍵在于安放的位置是否合理。確定冷鐵在鑄型中的位置，主要取決于要求冷鐵所起的作用以及鑄件的結構、形狀，同時還需要考慮冒口和澆注系統(tǒng)的位置。（1）要求冷鐵所起作用的分析: 對需要自下而上順序凝固的鑄

12、件，一般將冷鐵放在鑄型的下部。對于鑄件上的某些局部熱節(jié)，為使其早凝固或整個鑄件同時凝固，冷鐵自然應放于熱節(jié)部位，或熱節(jié)附近。結晶溫度間隔寬的合金，常在轉角處產生熱裂和縮松，若在轉角處設里冷鐵，對防止熱裂有明顯的作用。（2）鑄件結構的分析: 在不宜安放冒口的厚大部位一般均應放冷鐵，靠近內澆道處，或被金屬液所包圍的型芯部位，散熱條件很差，也應該放冷鐵.壁厚較大的鎂合金平板類鑄件，水平澆注時，由于水平面積較大，易于燃燒，在鑄件底部放冷鐵，可以減少鑄件的燃燒缺陷。但對于薄壁平板件，則盡量少用或不用冷鐵，即使非用不可時，也不應在大面積上使用冷鐵，避免鑄件產生澆不到缺陷。（3）與冒口配合使用由于冷鐵沒有補

13、縮作用，鑄件和熱節(jié)的補縮仍由冒口供給，所以冷鐵位置的確定應和冒口的位置同時考慮。冷鐵位置應與冒口有一定的距離，使鑄件凝固時沿著從安放冷鐵部位向冒口方向順序凝固，有人稱冷鐵與冒口之間的距離為冷鐵的作用距離.冷鐵作用距離與冷鐵材料的熱物理性能、鑄件的合金種類及壁厚尺寸有關。合金結晶溫度間隔越寬，鑄件壁厚越小，鑄件技術要求越高，冷鐵與冒口之間距離應相應縮小。（4）澆注系統(tǒng)及引入位置的影響: 選擇冷鐵安放位置時，還要考慮澆注系統(tǒng)及引入位置對鑄件溫度分布和冷鐵作用的影響。采用底注式澆注系統(tǒng)時，一般均在鑄件底部放置冷鐵。采用縫隙式澆注系統(tǒng)時，除在鑄件底部放冷鐵外，還應在遠離縫隙處(兩個立縫之間)放置冷鐵，

14、增大立筒的橫向補縮作用。 2) 冷鐵形狀的確定冷鐵的形狀取決于使用冷鐵部位鑄件的形狀和冷鐵所應起的作用.常用冷鐵分為成型冷鐵和平面冷鐵兩類，其形狀如圖三所示。在鑄件理論型面及轉角處一般使角成型冷鐵，冷鐵的形狀應與放置冷鐵的鑄件形狀相符合。在鑄件底部、端部和平面部分，常放置平面冷鐵。實際生產中常使用長方形、圓形、方形的冷鐵。其厚度一般為10.12,15,20,30mm。也常制出一批長、寬尺寸不同、直徑不同的標準冷鐵供生產中選用。這樣有利于管理、有利于縮短試制和全產周期。圖4 冷鐵的形狀3）冷鐵尺寸的確定 （1）外冷鐵外冷鐵的厚度根據經驗，外冷鐵的厚度見下表2序號適用條件外冷鐵的厚度序號適用條件外

15、冷鐵的厚度1灰鐵鑄件=（0.250.5）T4鑄鋼件=（0.30.8）T2球墨鑄鐵件=（0.30.8）T5銅合金件=（0.61.0）T3可鍛鑄鐵件=1.0T6輕合金件=（0.81.0）T注：T 鑄件熱節(jié)圓直徑。對輕合金件，當T大于2.5倍鑄件壁厚時，需配合冒口使用。外冷鐵的工作表面積:冷鐵有一定的激冷面積，對鑄件的大平面，尤其是鑄鋼件大平面不宜放置壁厚不變的大塊冷鐵.在大型鑄鋼件的厚壁平面上常散布若干小塊冷鐵來組成冷鐵組，這樣常要計算一個冷鐵能激冷多大面積，即要計算冷鐵的工作表面積。設在鑄件底面和內側面的外冷鐵，在重力和鑄件收縮力作用下同鑄件表面緊密接觸，稱為無氣隙外冷鐵;設在鑄件頂部和外側的冷

16、鐵屬于氣隙外冷鐵。相關文獻指出，對于鑄鋼件，無氣隙外冷鐵的激冷效果，相當于在原有砂型的散熱表面上，凈增了兩倍的冷鐵工作表面積(As=Ao+2Ac1):有氣隙外冷鐵的效果，相當于在原有的砂型散熱面積上凈增了一倍的冷鐵工作表面積(As=Ao+Ac2)。應用了外冷鐵使鑄件凝固時間縮短，相當于使鑄件模數由Mo減小為M1，由此可導出外冷鐵工作表面積As。對無氣隙外冷鐵有 Ac1= = = （2）對有氣隙外冷鐵有Ac2= As Ao = （3） 上兩式中 Vo 鑄件被激冷處的體積;Ac，As，Ao 冷鐵工作表面積、砂型等效面積、鑄件的表面積;Mo，M1鑄件原模數，使用冷鐵后鑄件的等效模數；M1= （4）

17、其中Ac1，Ac2為無氣隙、有氣隙冷鐵工作面積。鑄造設計人員可依工藝需要確定M1的大小，然后利用式（1）,（2）計算出外冷鐵的工作表面積.當實現(xiàn)同時凝固時，M1等于熱節(jié)四周薄壁部分的模數;實現(xiàn)順序凝固時，M1=(0.830.91)Mp，Mp是熱節(jié)旁補縮壁的模數。經驗證明，只有滿足Mp0.67Mo的條件下，才能用外冷鐵消除熱節(jié)的影響。 外冷鐵的重量 為防止外冷鐵被鑄件熔接，應計算或校核外冷鐵的重量。原理：鑄件（熱節(jié)部分）的質量為Wo，用外冷鐵激冷后，鑄件模數Mo減少為等效模數M1，對應M1的鑄件質量為W1，則質量差（Wo-W1）所含的過熱熱量和結晶潛熱應為外冷鐵吸收并使之升溫。設CL,Cs為金屬液，固體的比熱容，鑄件凝固結束時允許外冷鐵最高溫度為600.依據熱平衡原理，導出WcWc = （5）式中 過熱度 L結晶潛熱。（2） 內冷鐵內冷鐵的激冷作用比外冷鐵強，通常是在外冷鐵激冷作用不足時才使用內冷鐵，主要用于壁厚而技術要求不太高的鑄件上，特別是鑄鋼件。詳見鑄造工藝設計p334p351設計注意： 各種冷鐵的尺寸一般不宜過大，長度尺寸不大于200 mm。冷鐵尺寸過大，反復使用后