鑄造工藝學(xué)第7章課件

1、第7章 澆注系統(tǒng)設(shè)計 澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道，通常由澆口杯、直澆道、直澆道窩、橫澆道和內(nèi)繞道等單元組成，見圖7-1。 正確地設(shè)計澆注系統(tǒng)使液態(tài)金屬平穩(wěn)而又合理地充滿型腔，對保證鑄件質(zhì)量有很重要的作用。除導(dǎo)入液態(tài)合金這一基本作用外，正確的澆注系統(tǒng)還應(yīng)具有：1）使液態(tài)合金平穩(wěn)充滿型腔，不沖擊型壁和砂芯，不產(chǎn)飛濺和渦流，不卷入氣體，并順利地讓型腔內(nèi)的空氣和其他氣體排出型外，以防止金屬過度氧化及產(chǎn)生砂眼、鐵豆、氣孔等缺陷。 2）阻擋夾雜物進入型腔，以免在鑄件上形成渣孔。 3）調(diào)節(jié)砂型及鑄件上各部分溫差，控制鑄件的凝固順序，不阻礙鑄件的收縮，減少鑄件變形和開裂等缺陷。 4）有一定的補縮作

2、用，一般是在內(nèi)澆道凝固前補給部分液態(tài)收縮。5）讓液態(tài)合金以最短的距離，最合宜的時間充滿型腔，并有合適的型內(nèi)液面上升速度，得到輪廓完整清晰的鑄件，見圖7-2。6）充型液流不要正對冷鐵和芯撐，防止降低外冷鐵的激冷效果及表面熔化，不使芯撐過早軟化和熔化，造成鑄件壁厚變化。7）在保證鑄件質(zhì)量的前提下，澆注系統(tǒng)要有利于減小冒口體積，結(jié)構(gòu)要簡單，在砂型中占據(jù)的面積和體積要小，以方便工人操作、清除和澆注系統(tǒng)模樣的制造，節(jié)約金屬液和型砂的消耗量，提高砂型有效面積的利用。7.1.1 砂型流動的水力學(xué)特點液態(tài)金屬在砂型中流動時呈現(xiàn)出如下的水力學(xué)特性： （1）粘性流體流動 （2）不穩(wěn)定流動 （3）度孔管中流動 （4

3、）紊流流動 （5）多相流動第一節(jié) 液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中的流動7.1.2 澆口杯中的流動 澆口杯的作用是承接來自澆包的金屬液，防止金屬液飛濺和溢出，便于澆注，減輕液流對型腔的沖擊；分離渣滓和氣泡，阻止其進入型腔，增加充型壓力頭。只有澆口杯的結(jié)構(gòu)正確，配合恰當?shù)臐沧⒉僮?，才能實現(xiàn)上述功能。 澆口杯按結(jié)構(gòu)形狀可分為漏斗形和池形兩大類(圖7-3)。 澆口杯內(nèi)出現(xiàn)水平旋渦會帶入渣滓和氣體因而應(yīng)注意防止。水平渦流產(chǎn)生的原因是由于澆口杯中的金屬從各個方向流入直澆道時，流量的分布不均衡，不斷地變化，造成流速方向的偏斜(如圖7-4所示)。 在忽略內(nèi)摩擦力(金屬粘度的影響)的條件下，金屬液可近似地看成理想液體，澆

4、口杯中的渦流運動根據(jù)動量炬守衡定律，應(yīng)滿足下式關(guān)系： Mr常量 澆口杯中金屬液流的水平分速度愈大，愈易形成水平渦流。由圖7-5可知，水平分速的大小與澆口杯內(nèi)液面的高度及澆包嘴距澆口杯的高度有關(guān)。當液面足夠高而澆包位置又低時（圖7-5a），流速及水平分速都較小，從各個方向進入直澆道的金屬液比較均勻，不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)速度很快的水平渦流；如澆包位置不變，但澆口杯中液面較低時（圖7-5b)，水平分速增大，或澆口杯中液面較高，但澆包位置提高時（圖7-5c)，液流以較高的速度穿入液面，會在澆口杯深處產(chǎn)生水平分速度，也可能形成水平渦流及空穴現(xiàn)象。 為了減輕和消除水平旋渦，使合金液流動平穩(wěn)和防止最初澆入的合金液還

5、來不及使熔渣浮起就進入直繞道，對于重要的中、大型鑄件，常用帶澆口塞的澆口杯(圖7-6)。7.1.2 直流道中的流動 直澆道多為圓形或方形斷面的錐形管道，其功用是從澆口杯引導(dǎo)金屬液向下進入橫澆道、內(nèi)澆道或直接導(dǎo)入型腔。并提供足夠的壓力頭，使金屬液在重力作用下能克服流動過程中的各種阻力，充滿型腔的各個部位。1. 液態(tài)金屬在直澆道中的流動特點 直澆道一般不能擋渣，而且金屬液通過時容易帶入氣體。當氣體被卷入型腔內(nèi)又不能順利逸出時，就會在鑄件中形成氣孔。了解帶氣的原因并采取防止措施，是保證鑄件質(zhì)量的重要一環(huán)。圖7-7是用有機玻璃和玻璃管制成的澆口杯和直澆道兩組元模型，用水作流動介質(zhì)，澆注試驗時觀察其流動

6、狀態(tài)。試驗結(jié)果表明：1）直澆道入口處的形狀影響液流分布。2）直澆道形狀影響液流的內(nèi)部壓力。3）當直澆道內(nèi)未被液體充滿時，流股表面為一自上而下漸縮形的等壓面，壓力等于大氣壓力。2. 直澆道的吸氣問題 在只有澆口杯與直澆道(等斷面)兩組元最簡單的澆注系統(tǒng)模型中，當金屬液充滿時的流動狀態(tài)(如圖7-8所示情況)可用流體的伯努里方程進行分析。3. 直澆道窩 直澆道與橫澆道的連接，因液流從直澆道轉(zhuǎn)入橫澆道時方向急劇改變，出現(xiàn)極度的紊流和攪動，如果用圖7-9所示的直澆道底部伸到橫澆道內(nèi)部的連接方式，就容易引起沖砂和卷入氣體，因此經(jīng)常在直澆道底部設(shè)一帶凹坑的窩座。直澆道窩常做成半球形，圓錐臺等形狀，常見形狀如

7、圖7-10。直澆道窩的作用：（1） 緩沖作用（2）縮短直-橫澆道拐彎處的紊流區(qū)（3）改善內(nèi)交道的流量分布（4）減小直-橫澆道拐彎處的局部阻力系數(shù)和水力壓頭損失。（5）浮出金屬液中的氣泡 7.1.4液態(tài)金屬在橫澆道中的流動 水平的橫澆道用以連接直澆道和內(nèi)澆道，并將金屬液平穩(wěn)而均勻地分配給各個內(nèi)澆道，其主要作用是捕集、保留由澆包經(jīng)直澆道流入的夾雜物，故又稱“捕渣器”或撇渣道，它是澆注系統(tǒng)中最后一道擋渣關(guān)口。為達到上述目的，要求橫澆道能平穩(wěn)、緩慢地輸送金屬液，而低速流動又可減少充填型腔時的沖擊，利于渣粒在橫澆道中上浮并滯留在其頂部而不進入型腔。1. 橫繞道中的液流分配 金屬液從直澆道進入橫澆道的初期

8、，它以較大速度沿長度方向向前流動，等到達橫澆道末端沖擊該處型壁后，金屬液的動能轉(zhuǎn)變?yōu)槲荒?，橫澆道末端附近液面升高，形成全屬浪，并開始返回移動，使橫澆道內(nèi)液面向直澆道方向逐漸上升，直到全部充滿。 如在等斷面橫澆道上分布幾個等斷面的內(nèi)繞道，在橫澆道充滿之前，由于運動液體的慣性，驅(qū)使金屬液向前流動，從橫澆道兩側(cè)分叉出去的內(nèi)澆道仍保持空位。橫澆道充滿之后，進入不同位置內(nèi)澆道金屬的量取決于內(nèi)澆道附近橫澆道中金屬液壓力的大小、橫澆道長度及內(nèi)澆道的位置等因素。當金屬液柱高而橫澆道較短時，大部分金屬液越過離直澆道較近的內(nèi)澆道而進入最遠的內(nèi)澆道中(圖7-12)。2. 橫澆道的檔渣作用 為了防止由夾渣引起的鑄件缺

9、陷必須保持澆包的清潔，去除型內(nèi)雜物，妥善地擋渣，還應(yīng)在整個澆注過程中保持澆口杯中的液面高度不變，并讓直澆道盡快充滿。 大多數(shù)情況下夾雜物比金屬液輕，混在液流中的雜質(zhì)在水平橫澆道中流動時其速度可分解為：液流速度l和雜質(zhì)的漂浮速度2，雜質(zhì)以兩者的合成速度運動并浮升到液面上。從圖7-13可知，當金屬液的流速1較低時，雜質(zhì)上浮到液面上所需的流程L也較短（見圖7-13a)；當1較大而其他條件相同時（見圖7-13b)，夾雜物上浮到金屬液面所需的流程則較長。 在橫澆道中向前流動的金屬液，在內(nèi)澆道附近除有繼續(xù)向前流動的速度外，還有一個向內(nèi)澆道流動的速度，于是內(nèi)繞道會將橫繞道中的金屬液“吸”進去，這種現(xiàn)象稱為“

10、吸動作用”(圖7-14)。吸動作用區(qū)的范圍通常都大于內(nèi)澆道的斷面積，雜質(zhì)流經(jīng)這個區(qū)域時，就有被吸入內(nèi)澆道而進入型腔的可能。 金屬液從直澆道流入橫澆道時因有急拐彎，需要在橫澆道中流經(jīng)一段距離才能比較平穩(wěn)，而且雜質(zhì)上浮到橫澆道頂部也需要足夠的距離，故應(yīng)使直澆道中心到第一個內(nèi)澆道的距離L5h橫(圖7-15)。 常用橫澆道的斷面形狀如圖7-16所示，有梯形、圓頂梯形及圓形三種。綜上所述，橫澆道起擋渣作用的條件是：1）橫澆道必須呈充滿狀態(tài)。2）液流的流動速度應(yīng)低于渣粒的懸浮速度。3）液流的紊流攪拌作用要盡量小。4） 應(yīng)使夾雜物有足夠的時間上浮到金屬液頂面，橫澆道的頂面應(yīng)高出內(nèi)澆道吸動區(qū)一定距離，末端應(yīng)加

11、長；5）內(nèi)澆道和橫澆道應(yīng)有正確的相對位置。3. 增強橫澆道擋渣能力的措施 提高橫澆道擋渣能力的主要途徑是改變橫澆道的結(jié)構(gòu)，以增加流程中的阻力，減慢金屬液的流速，減少紊流攪拌作用。常見的方法有以下幾種：（1）緩流式澆注系統(tǒng)（2）阻流式澆注系統(tǒng)（3）帶濾網(wǎng)的澆注系統(tǒng) （4）集渣包式澆注系統(tǒng) 圖7-17所示緩流式澆注系統(tǒng)就是這一原型的具體運用。它利用液態(tài)金屬在橫澆道中轉(zhuǎn)彎(橫澆道是曲折的，二段在上箱，一段在下箱)，改變液流方向，以增大局部阻力，降低流動速度。圖7-18所示的阻流式澆注系統(tǒng)，不論是垂直式還是水平式，都在靠近直澆道的橫澆道段上，有一節(jié)斷面狹小的阻流部分，液流通過阻流斷面之后進入斷面突然擴

12、大部分，流股也突然擴大，但流量并未改變，因此流速減小，有利于雜質(zhì)上浮。 圖7-19是帶濾網(wǎng)的澆注系統(tǒng)的一種形式。全屬液通過濾網(wǎng)時由于孔眼的阻力及斷面的擴大，液流速度驟減，并在網(wǎng)孔出口處出現(xiàn)渦流運動區(qū)，有利于渣子上浮并粘附在濾網(wǎng)下面。所以濾網(wǎng)的作用原理并不僅僅是“過濾”。濾網(wǎng)下面必須保證被金屬液充滿，網(wǎng)孔應(yīng)是上小下大的錐孔。濾網(wǎng)有方形和圓形兩種(圖7-20)，可放在澆口杯中、直澆道下端或橫澆道內(nèi)。7.1.5金屬液在內(nèi)澆道中的流動 內(nèi)澆道的作用是引導(dǎo)金屬液進入型腔，內(nèi)澆道比較短，本身不能擋渣，但合理的結(jié)構(gòu)尺寸以及與橫澆道的連接方式將有助于橫澆道擋渣。內(nèi)澆道可以調(diào)節(jié)鑄型和鑄件各部分的溫差和凝固順序，

13、控制金屬液流的充型速度和方向，使之乎穩(wěn)地充填型腔。1. 澆口比的影響 直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道截面積之比（即S直:S橫:S內(nèi)）稱為澆口比。以內(nèi)澆道為阻流時，金屬液流入型腔時噴射嚴重；以直澆道下端或附近的橫澆道為阻流時，充型較平穩(wěn)，S內(nèi)/S阻比值越大則越平穩(wěn)。因此，輕合金鑄件常采用S內(nèi)比S阻大得多的開放式澆注系統(tǒng)。兩種澆注系統(tǒng)的充型流態(tài)如圖7-22所示。2. 內(nèi)澆道流量的不均勻性同一橫澆道上有多個等截面的內(nèi)澆道時，各內(nèi)澆道的流量不等。內(nèi)澆道流量的不均勻性U可用式 表示。它與澆口比，內(nèi)澆道與橫澆道的搭接形式，整個澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，各種因素的影響見圖7-23，圖7-24。3. 內(nèi)澆道設(shè)計的基本

14、原則1）內(nèi)澆道在鑄件上的位置和數(shù)目應(yīng)服從所選定的凝固順序或補縮方法。2）液流方向不要沖著細小砂芯、型壁、冷鐵和芯撐，必要時采用切線引入。3）內(nèi)澆道應(yīng)盡量薄，薄的內(nèi)澆道的好處是： 降低內(nèi)澆道的吸動區(qū)，有利于橫澆道阻渣；降低初期進入渣的可能性；減輕清理工作量；內(nèi)澆道薄于鑄件的壁厚，在去除澆道時不易損害鑄件；對鑄鐵件，薄的內(nèi)澆道能充分利用鑄件本身的石墨化膨脹獲得緊實的鑄件。球墨鑄鐵件的內(nèi)澆道厚度如圖7-25所示，內(nèi)澆道的長度和寬度為4倍厚度。4）薄壁鑄件可用多內(nèi)澆道的澆注系統(tǒng)實現(xiàn)補縮，這時內(nèi)澆道尺寸應(yīng)符合冒口頸的要求。5）避免內(nèi)澆道開設(shè)在鑄件品質(zhì)要求很高的部位，以防止組織粗大。6）為了使金屬液快速而

15、平穩(wěn)地充型，有利于排氣和除渣，各個澆道中的金屬液流向應(yīng)力求一致，防止金屬液在型內(nèi)碰撞，流向混亂會出現(xiàn)過度紊流。7）盡量在分型面上開設(shè)內(nèi)澆道，使造型方便。8）對收縮大易形成裂紋的合金鑄件，內(nèi)澆道的設(shè)置應(yīng)盡量不阻礙鑄件的收縮。7.1.6澆注系統(tǒng)的充滿理論 砂型具有透氣性，從這種特殊邊界條件出發(fā)，可知只有金屬流的壓力（p）高于金屬壁的氣體壓力（pa）時才呈充滿狀態(tài)流動。這時型壁對金屬流有約束作用，除了砂粒承受金屬的壓力之外，砂粒間的微孔所形成的毛細管壓力和孔內(nèi)的氣體壓力，共同組織金屬液滲入孔隙。而液流壓力p下降到等于型壁的氣體壓力pa時，金屬液流開始脫離型壁出現(xiàn)非充滿流態(tài)。因此，砂型澆注系統(tǒng)的充滿條

16、件可以表示為：ppa 下面分析橫澆道和直澆道的充滿條件。設(shè)有一基本形式的澆注系統(tǒng)如圖7-26所示。以0-0面為基準面，它穿越內(nèi)澆道斷面之重心。1-1面穿過橫澆道界面之重心。澆注穩(wěn)定后，在橫澆道上任意斷面r-r和內(nèi)澆道入口處i-i斷面之間應(yīng)用伯努利方程（在忽略了因拐彎，突然擴大和縮小等引起的質(zhì)量力的影響的條件下）有： 眾所周知，實際液態(tài)金屬是有粘度的，不能當做理想流體去研究，實際流體的流動阻力影響是不容忽略的。圖7-27所示的澆注系統(tǒng)，其澆口比為S直:S橫:S內(nèi)=1:2.5:2.5，澆注時仍呈正壓充滿態(tài)流動，實際砂型澆注鑄鐵的試驗得到同樣的結(jié)論。第二節(jié) 澆注系統(tǒng)的基本類型7.2.1澆注系統(tǒng)設(shè)計原

17、則與類型選擇 澆注系統(tǒng)常用的分類方法有兩種：一是根據(jù)各組元斷面比例關(guān)系的不同，即阻流斷面位置的不同，分為封閉式和開放式澆注系統(tǒng)；另一是按內(nèi)澆道在鑄件上的相對位置不同，將澆注系統(tǒng)分成如圖7-28所示的頂注式、中間注入式、底注式和階梯式等四種類型。7.2.2 封閉、開放式澆注系統(tǒng)1.封閉式澆注系統(tǒng)封閉式澆注系統(tǒng)可理解為正常澆注條件下，所有組元能被金屬液充滿的澆注系統(tǒng)，也稱為充滿式澆注系統(tǒng)。因全部截面上的金屬液壓力均高于型壁氣體壓力，故是有壓或正壓系統(tǒng)。封閉式澆注系統(tǒng)包括了以內(nèi)澆道為阻流的各種澆注系統(tǒng)和部分擴張式（S內(nèi)/S阻1.5-2.5）的澆注系統(tǒng)。 封閉式澆注系統(tǒng)有較好的阻渣能力，可防止金屬液卷

18、入氣體，消耗金屬少，清理方便。主要缺點是：進入型腔的金屬液流速度高，易產(chǎn)生噴濺和沖砂，使金屬氧化，使型內(nèi)金屬液發(fā)生擾動、渦流；因此，主要應(yīng)用于不易氧化的各種鑄鐵件。對于容易氧化的輕合金鑄件、采用漏包澆注的鑄鋼件和高大的鑄鐵件，均不宜使用。2. 開放式澆注系統(tǒng) 在正常澆注條件下，金屬液不能充滿所有組元的澆注系統(tǒng)，又稱為非充滿式或非壓力式澆注系統(tǒng)。在金屬液流未能充滿的部位存在著等大氣壓力的自由表面。完全開放式澆注系統(tǒng)在內(nèi)澆道被淹沒之前，各組元均呈非充滿流態(tài)，幾乎不能阻渣而且會帶入大量氣體。因此，使用轉(zhuǎn)包澆注的鑄鐵件上不宜應(yīng)用這種澆注系統(tǒng)。 主要優(yōu)點：進入型腔時金屬液流速度小，充型平穩(wěn)，沖刷力小，金

19、屬氧化輕。輕合金鑄件、球鐵件及漏包澆注的鑄鋼件宜采用開放式澆注系統(tǒng)，但直澆道不能成充滿態(tài)，以防鋼水外溢，造成事故。主要缺點：阻渣效果稍差，內(nèi)澆道較大，金屬消耗略多。3. 半封閉式澆注系統(tǒng)其斷面比例關(guān)系是：F橫 F直 F內(nèi) 。 這樣的澆注系統(tǒng)，直澆道一般是上大下小的錐形，能很快充滿，而橫澆道斷面最大、充滿較晚，可以有效降低液流速度，在澆注開始時充型平穩(wěn)，對鑄型的沖刷比封閉式澆注系統(tǒng)小得多，擋渣作用則比開放式好。當橫澆道的斷面比內(nèi)澆道大很多時，橫澆道雖然在較長時間末被充滿，如液面超過了內(nèi)澆道頂面(指內(nèi)澆道位于橫澆道底部時)，橫澆道仍有一定的檔渣能力。4. 封閉-開放式澆注系統(tǒng)其特點是控制流量的阻流

20、斷面位于直澆道下端，或在橫澆道中，故澆注系統(tǒng)各組元的斷面比例相應(yīng)地有以下幾種關(guān)系： F杯 F直F橫F內(nèi) F杯 F直F集渣包出口F橫后F內(nèi) F直F阻F橫后F內(nèi) 或F直F阻F內(nèi)F橫后其中F橫后是指阻流斷面之后各段橫澆道斷面積之和。 7.2.3按內(nèi)澆道在鑄件上的位置分類1. 頂注式澆注系統(tǒng)以澆注位置為基準，內(nèi)澆道設(shè)在鑄件頂部的，稱為頂注式澆注系統(tǒng)（見圖7-29）。優(yōu)點：容易充滿，可減少薄壁件澆不到、冷隔方面的缺陷；充型后上部溫度高于底部，有利于鑄件自下而上的順序凝固和冒口的補縮；冒口尺寸小，節(jié)約金屬；內(nèi)澆道附近受熱較輕；結(jié)構(gòu)簡單，易于清除。缺點：易造成沖砂缺陷金屬液下落過程中接觸空氣，出現(xiàn)飛濺、氧化

21、、卷入空氣等現(xiàn)象，使充型不平穩(wěn)；易產(chǎn)生砂孔、鐵豆、氣孔和氧化夾雜物缺陷，大部分澆注時間，內(nèi)澆道工作在非淹沒狀態(tài)；橫澆道阻渣條件相對較差。簡單式：用于要求不高的簡單小件。楔形式：澆道窄而長，斷面積大，適用于薄壁容器類鑄件。壓邊式：金屬液經(jīng)壓邊窄縫進入型腔，充型慢，有一定補縮和阻渣作用。適用于結(jié)構(gòu)比較簡單、且高度不大的薄壁鑄件以及致密性要求較高、需用頂部冒口補縮的中、小型厚壁鑄件。對易氧化的合金則不易采用。 見圖7-30，澆口以一條窄而長的縫隙與鑄件頂部連接，澆注時金屬液通過壓邊縫隙順壁充型，水力半徑很小，液流對鑄型沖擊力也小。鑄件可自下而上地順序凝固，而且通過窄縫澆口澆注，延長了澆注時間，故澆注

22、過程中就有補縮作用。用以澆注有厚大部分的中、小鑄件可不產(chǎn)生縮孔。結(jié)構(gòu)簡單，能節(jié)約金屬，擋渣作用良好，便于清除。 壓邊澆口和雨淋澆口是頂注式澆注系統(tǒng)的兩種特殊結(jié)構(gòu)形式，它們都能細化流股，有邊澆邊補縮的作用。結(jié)構(gòu)簡單易于清除，多用于中小型各種厚壁鑄鐵件。2.底注式澆注系統(tǒng) 內(nèi)澆道設(shè)在鑄件底部的稱為底注式澆注系統(tǒng)（見圖7-32）。主要優(yōu)點：內(nèi)澆道基本上在淹沒狀態(tài)下工作，充型平穩(wěn)；可避免金屬液激濺、氧化及由此而形成的鑄件缺陷；無論澆口比是多大，橫澆道基本工作在充滿狀態(tài)下，有利于阻渣；型腔內(nèi)的氣體容易順序排出。主要缺點：充型后金屬的溫度分布不利于順序凝固和冒口補縮；內(nèi)澆道附近容易過熱，導(dǎo)致縮孔、縮松和結(jié)

23、晶粗大等缺陷；金屬液面上升慢，容易結(jié)皮，難于保證高大的薄壁鑄件充滿，易形成澆不到、冷隔等缺陷；金屬消耗較大。 牛角澆口(圖7-33)和底返式分散充型澆口(圖7-34，即所謂的“底返雨淋澆口”)都屬于底注式澆注系統(tǒng)。牛角澆口多用于有色金屬小鑄件，為避免出現(xiàn)“噴泉”現(xiàn)免可將牛角倒裝，制成如圖7-33b那樣。底返式分散充型澆口突出的優(yōu)點是鑄件溫度分布均勻，同一橫斷面上的金相組織比較一致，可使導(dǎo)軌面朝下澆注的重型機床床身導(dǎo)軌上的兩瑞硬度趨于一致。其次，進入型腔的金屬液不旋轉(zhuǎn)，可避免渣子粘附在芯子上，改善了筒形鑄件的內(nèi)表面質(zhì)量。 基本形底注式澆注系統(tǒng)：適用于容易氧化的非鐵合金鑄件和形狀復(fù)雜并要求高的黑色

24、金屬鑄件。 牛角式：用于各種鑄齒齒輪和有砂芯的盤形鑄件。 底雨淋式：充型后金屬溫度分布均勻，同一水平橫截面上的金相組織和硬度一致。型內(nèi)金屬液上升平穩(wěn)且不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，能避免熔渣粘附在砂芯上。適用于內(nèi)表面質(zhì)量要求高的筒類鑄件等。3.中間注入式澆注系統(tǒng) 從鑄件中間某一高度上開設(shè)內(nèi)澆道的稱為中間注入式澆注系統(tǒng)（見圖7-35）。對內(nèi)澆道以下的型腔部分為頂注式，對內(nèi)澆道以上的型腔部分相當于底注式，它兼有頂注式和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點。由于內(nèi)澆道在分型面上開設(shè)，故極為方便，廣為應(yīng)用。適用于高度不大的中等壁厚的鑄件。4. 階梯式澆注系統(tǒng) 在鑄件不同高度上開設(shè)多層內(nèi)澆道的稱為階梯式澆注系統(tǒng)（見圖7-36）。階

25、梯式澆注系統(tǒng)適用于高度大的中、大型鑄件，具有垂直分型面的中大件可優(yōu)先采用。 （1）多直澆道的階梯式為了實現(xiàn)分層引注的目的，可采用多直澆道階梯式澆注系統(tǒng)，各層內(nèi)澆道分別與專用直澆道相連接，當型腔內(nèi)液面高度達一定界線時，停止使用與最底層內(nèi)澆道相連接的第一個直澆道。生產(chǎn)中，大鑄件多使用如圖7-37所示的階梯式澆注系統(tǒng)。 （2）用塞球法控制的階梯式直澆道呈非充滿狀態(tài)澆注，當型內(nèi)液面上升到接近第二層內(nèi)澆道時，向內(nèi)澆道投放第一枚金屬球，塞住下層直澆道通路，使金屬從上層內(nèi)澆道注入型腔，如此順序進行澆注。為有效地控制澆注順序，直澆道采用特制耐火磚管或砂芯管，上層的V形管徑大于下層，上層金屬塞球也相應(yīng)加大直徑。

26、優(yōu)點是能較可靠地控制澆注順序，并獲得有利的金屬液分布。缺點是需要特制耐火管和金屬塞球。對于經(jīng)常應(yīng)用階梯式澆注系統(tǒng)的鑄造廠可以考慮使用。（3）控制各組元斷面比例的階梯式 將阻流斷面設(shè)置在澆口杯出口處，或主直澆道下端，或橫澆道之中，或分配直澆道上端，使金屬液在分配直澆道中呈不充滿狀態(tài)，并使h有效h0如圖7-36c。 （4）帶有緩沖或反直澆道的階梯式 如圖7-36d、e所示，金屬液流經(jīng)直澆道及S橫進入寬大的緩沖或反直澆道內(nèi)，它未充滿并使h有效h0，從而實現(xiàn)鑄件的順序凝固，有利于補縮。適用于中大型的鑄鋼件。第三節(jié) 阻流斷面積的確定 設(shè)計澆注系統(tǒng)除了正確選擇其類型、引注位置及在鑄型中的合理布置外，如果各

27、組元的尺寸及斷面比例關(guān)系不恰當，仍然不能得到理想的結(jié)果。 金屬液進入型腔的速度和流量對鑄件質(zhì)量有相當?shù)挠绊?，而控制金屬液流速的最小斷面又決定著充型速度。 影響澆注系統(tǒng)尺寸的因素很多，諸如性能不同的合金、材料及工藝不一的鑄型、千變?nèi)f公式化的鑄件結(jié)構(gòu)與尺寸、互有差異而且經(jīng)常改變的生產(chǎn)條件等，所以目前還沒有一種能概括所有復(fù)雜多變條件的理論計算方法。7.3.1奧贊公式 把澆注系統(tǒng)視為充滿流動金屬液的管道，是用水力學(xué)原理計算澆注系統(tǒng)阻流（最?。┙孛娣e的基礎(chǔ)，所導(dǎo)出的公式適用于轉(zhuǎn)包澆注的封閉式澆注系統(tǒng)。 圖7-38以內(nèi)澆道為阻流截面，金屬壓力頭不變。假定型腔內(nèi)氣體壓力等于大氣壓力。以分型面（內(nèi)澆口-阻流的

28、頂面）為0-0面。7.3.2澆注時間 澆注時間對鑄件質(zhì)量有重要影響，應(yīng)考慮鑄件結(jié)構(gòu)、合金和鑄型等方面的特點來選擇澆注速度。 快速澆注的優(yōu)點：金屬的溫度和流動性降低幅度小，易充滿型腔。減小皮下氣孔傾向。充型期間對砂型上表面的熱作用時間短，可減少夾砂結(jié)疤類缺陷。對灰鑄鐵、球墨鑄鐵件，快澆可以充分利用共晶膨脹消除縮孔縮松缺陷。 快速澆注的缺點：對型壁有較大的沖擊作用，容易造成漲砂、沖砂、抬箱等缺陷。澆注系統(tǒng)的重量稍大，工藝出品率略低。 快速澆注法適用于薄壁的復(fù)雜鑄件、鑄型上半部分有薄壁的鑄件、具有大平面的鑄件、鑄件表皮易生成氧化膜的合金鑄件、采用底注式澆注系統(tǒng)而鑄件頂部又有冒口的條件下和各種中大型灰

29、鑄鐵件、球墨鑄鐵件。 慢速澆注的優(yōu)點：金屬對型壁的沖刷作用輕，可防止?jié)q砂、抬箱、沖砂等缺陷。有利型內(nèi)、芯內(nèi)氣體的排除。對體收縮大的合金，當采用頂注法或內(nèi)澆道通過冒口時，慢澆可減小冒口，澆注系統(tǒng)消耗金屬少。慢速澆注的缺點：澆注期間金屬對型腔上表面烘烤時間長，易形成夾砂結(jié)疤和粘砂類缺陷。金屬液溫度和流動性降低幅度大，易出現(xiàn)冷隔、澆不到及鑄件表皮皺紋等缺陷。慢澆還降低了造型流水線的生產(chǎn)率。 慢速澆注法適用于有高的砂胎或吊砂的濕型；型內(nèi)砂芯多、砂芯大而芯頭小或砂芯排氣條件差的情況下；采用頂注法的體收縮大的合金鑄件。 2. 合適的澆注時間 合適的澆注時間與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型工藝條件、合金種類及選用的澆注系統(tǒng)

30、類型等有關(guān)。每種鑄件，在已確定的鑄造工藝條件下，都對應(yīng)有適宜的澆注時間范圍。 對于鑄鐵、鑄鋼件，推薦用下表7-5的經(jīng)驗數(shù)據(jù)決定澆注時間。對于球墨鑄鐵件，推薦用圖7-39給出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)決定澆注時間。對其它合金鑄件，可參考有關(guān)資料。 7.3.3金屬液在型內(nèi)的上升速度 經(jīng)驗公式或圖表所確定的澆注時間沒有考慮每個鑄件的具體條件和工藝因素。如，澆注時間應(yīng)小于形成澆不到和冷隔的最大允許澆注時間，還應(yīng)短于形成夾砂結(jié)疤類缺陷的極限允許時間；澆注時間應(yīng)大于氣體從型內(nèi)逸出的最小允許時間，澆注時間應(yīng)大于型內(nèi)金屬液形成嚴重紊流程度的允許充型時間等。型內(nèi)金屬液上升速度型用下式計算： 式中，C為鑄件（或某段）的高度； 為

31、澆注時間。 7.3.4流量系數(shù)的確定 澆注系統(tǒng)的流量系數(shù)通常是指阻流截面的流量系數(shù)。如果阻流不設(shè)在內(nèi)澆道，則內(nèi)澆道的流量系數(shù)比澆注系統(tǒng)（阻流）的流量系數(shù)值要小。流量系數(shù)與澆注系統(tǒng)中各部分的的阻力及型腔內(nèi)流動阻力大小有關(guān)。凡與此有關(guān)的因素，如澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸、澆口比，鑄件復(fù)雜程度、鑄型條件、合金特性、澆注溫度等都對其有影響。因此，準確地確定流量系數(shù)值是件困難的工作。常用如下兩種方法：對重要的鑄件或大量生產(chǎn)的鑄件，可用水力模擬實驗法，在實驗室中測出流量系數(shù)。對于一般鑄件可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定。對球墨鑄鐵可依圖7-40確定流量系數(shù)，超過100kg的中、大件，也可以參照表7-8。鋼件可參照表7-9確

32、定值。74 鑄鐵件澆注系統(tǒng)通常在確定鑄造方案的基礎(chǔ)上設(shè)計澆注系統(tǒng)。大致步驟為：（1）選擇澆注系統(tǒng)類型；（2）確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目和金屬引入方向；（3）決定直澆道的位置和高度；（4）計算澆注時間并核算金屬上升速度；（5）計算阻流截面積S阻；（6）確定澆口比并計算各組元截面積；（7）繪出澆注系統(tǒng)圖形。7.4.1 用流體力學(xué)公式計算澆注系統(tǒng)的尺寸計算澆注系統(tǒng)，主要是確定最小斷面積（阻流斷面），然后按經(jīng)驗比例確定其它組元的斷面積。以伯努利方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)換算成鑄鐵澆注系統(tǒng)的如下近似計算公式： G值可通過估算、計算、稱量的方法得到，、t、H p為未知數(shù)。（1）流量損耗系數(shù)值的確定（2）澆注時間

33、t 值的確定（3）平均靜壓頭Hp的確定（4）最小剩余壓頭Hm的確定7.4.2 用澆注比速計算澆注系統(tǒng)的尺寸 此法可用于各種合金，各類鑄件的澆注系統(tǒng)計算，主要用在大型和重型鑄件上。對于封閉式澆注系統(tǒng)，澆注比速即單位時間內(nèi)通過阻流截面單位面積的金屬液，其阻流面積F阻(cm2)的計算公式為式中，G為流經(jīng)F阻截面的液體金屬質(zhì)量（kg）；t 澆注時間（s）；K為澆注比速（kg/cm2）；L為金屬液流動系數(shù)，對于鑄鐵，可取1.0。澆注比速K主要取決于鑄件的相對密度Kv (kg/cm2)，而，V是鑄件輪廓體積（dm3）。顯然，Kv值越大，說明鑄件結(jié)構(gòu)越簡單。壁越薄，Kv值越小，則鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。澆注比速K與

34、G和Kv的關(guān)系如圖7-41。7.4.3 圖表法確定澆注系統(tǒng)尺寸 澆注系統(tǒng)阻流斷面尺寸的計算比較復(fù)雜，并含有許多經(jīng)驗數(shù)據(jù)存在一定的局限性，生產(chǎn)中往往采用圖表法，使用方便、直觀。下面推薦幾種生產(chǎn)中常用的圖表，供參考。1）索伯列夫圖表 該表適用于一般大、中型鑄鐵件的濕型鑄造，用于干型時，可將查到的阻流斷面面積減少15%-20%，圖7-42。2）經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定澆注系統(tǒng)阻流截面面積，表7-17。第五節(jié) 階梯式澆注系統(tǒng)的計算除了多直澆道的階梯式以外，其余幾種類型都需滿足以下兩個條件才能實現(xiàn)分層引注：1）連接各層內(nèi)澆道的分配直澆道（包括緩沖直澆道、反直澆道）應(yīng)呈非充滿狀態(tài)。2）分配直澆道中液態(tài)金屬的自由液面以

35、下的有效壓力頭時，應(yīng)小于兩層內(nèi)澆道之間的距離，既h有效H0（參看圖7-43）。計算原理及步驟：（1）阻流面積S阻的計算（2）分配直澆道截面積（3）每層內(nèi)澆道的總截面積一般地說，當鑄件高度超過600mm時，就可采用階梯式澆注系統(tǒng)，兩層內(nèi)澆道的間距在6001200mm范圍內(nèi)。大型鑄件需采用多層砂箱造型時，上下段分配直澆道的相接處，宜采用喇叭形結(jié)構(gòu)，這樣可避免因錯型而使分配直澆道截面縮小，導(dǎo)致“亂澆注”。使上層內(nèi)澆道向上傾斜（如30），也可起到上述作用。第6節(jié) 垂直分型澆注系統(tǒng)的計算1. 計算原理 垂直分型無箱造型的特點是：造型、澆注、冷卻過程中分型面均呈垂直狀態(tài)。 恒壓等流量澆注系統(tǒng)有較多的優(yōu)點：

36、1）上下各層鑄件質(zhì)量比較一致 ；2）澆注系統(tǒng)占用模板面積小 ；3）工藝出品率高。2. 設(shè)計要點（1）以內(nèi)澆道為阻流的強封閉式澆注系統(tǒng) 目的是維持各層內(nèi)澆道充型時金屬壓力頭恒定，使每個型腔同時充滿。澆口杯應(yīng)足夠大。（2）嚴格控制澆注時間 澆注時間應(yīng)嚴格服從造型機節(jié)拍。根據(jù)經(jīng)驗，澆注時間的變化如果超過1秒，廢品就會大幅度增加。澆注速度與澆注時間的經(jīng)驗關(guān)系見表7-18。（3）小的薄壁鑄件可利用澆注系統(tǒng)當冒口薄而小的可鍛鑄鐵件，可用澆注系統(tǒng)作為冒口進行補縮。對較大的熱節(jié)或鑄件，則另設(shè)冒口，使內(nèi)澆道通過冒口，以提高冒口的補縮效率。第7節(jié) 其他合金鑄件澆注系統(tǒng)7.7.1 鑄鋼件澆注系統(tǒng)1. 鑄鋼件澆注系統(tǒng)

37、的特點 1）鑄鋼的熔點高，澆注溫度高，鋼液對砂型的熱作用大，且冷卻快，鋼液流動性差，所以要求用較短的時間以較高的流速澆注。2）鋼液易氧化，應(yīng)避免流股份散、激濺和渦流，保證鋼液平穩(wěn)地充滿砂型。3）鑄鋼件體收縮大，易產(chǎn)生縮孔，需按順序凝固的原則設(shè)計澆注系統(tǒng)，并用冒口補縮。4）鑄鋼件線收縮大，收縮四內(nèi)應(yīng)力大，產(chǎn)生熱裂，變形的傾向也大，故澆冒口的設(shè)置應(yīng)盡量減小對鑄件收縮的阻礙。2. 鑄鋼件澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則1）保證鋼液平穩(wěn)的注入鑄型，避免鋼液流互相撞擊或亂流。2）內(nèi)澆道的位置應(yīng)盡量收縮短鋼液在型內(nèi)流動的路程，以避免鑄件產(chǎn)生冷隔等缺陷。3）形狀復(fù)雜的薄壁鑄件的內(nèi)澆道的設(shè)置，應(yīng)避免鋼液直接沖擊型壁或砂芯。

38、4）內(nèi)澆道應(yīng)避免開在芯頭邊界及靠近內(nèi)冷鐵、外冷鐵、芯撐的地方。5）圓筒形鑄件的內(nèi)澆道應(yīng)沿切線方向開設(shè)，使鋼液在型內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以利于鋼液內(nèi)的夾雜物浮進冒口。 6）需要補縮的鑄件，內(nèi)澆道應(yīng)促使其順序凝固。 7）對高度超過600mm 的鑄件，需采用多層內(nèi)澆道以防止?jié)膊坏?、冷隔、裂紋和粘砂等缺陷，多層內(nèi)澆道的設(shè)置應(yīng)保證鋼液仔細而上地進入型腔。8）為防止鋼液過早地從上層內(nèi)澆道進入型腔，可使上層內(nèi)澆道向上傾斜。3. 鑄鋼件澆注系統(tǒng)的形式 除大批量生產(chǎn)線上及澆注小鑄件使用轉(zhuǎn)包和茶壺式澆包外，鑄鋼件大多采用底注包澆注。底注包保溫性能好，流出的鋼液夾雜物少，無需采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的澆注系統(tǒng)擋渣。4. 底注包澆注系統(tǒng) 采用底注包澆注鋼件，關(guān)鍵是選定底注包包孔直徑，然后按經(jīng)驗比例確定澆注系統(tǒng)組元的尺寸，最后檢驗平均澆注速度和型內(nèi)頁面上升速度是否符合鑄件教主的要求。 （1）澆包容量及包孔選擇 （2）澆注時間和液面上升速度 （3）澆注系統(tǒng)各組元斷面積的計算 （4）補澆冒口的專用澆道7.7.2 輕合金鑄件澆注系統(tǒng) 輕合金是鋁、鎂合金的統(tǒng)稱，特點是密度小，熔點低，容積熱容量小而熱導(dǎo)率大，化