冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

第三章澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)材料科學(xué)工程系

一、冒口的作用

為了使鑄件在凝固的最后階段得到補(bǔ)縮，防止縮孔、縮松、裂紋、變形等產(chǎn)生，則在鑄件上設(shè)置冒口。

冒口－儲備足量的液態(tài)金屬，又可排氣、集渣。鑄造合金凝固時，均產(chǎn)生體積收縮，凝固后均會形成孔洞－縮孔、縮松。

合適的冒口工藝可以有效地防止或減少鑄件的收縮缺陷。收縮缺陷與合金的凝固特性有關(guān)，也與冒口自身設(shè)計(jì)有關(guān)》

對于逐層凝固產(chǎn)生集中縮孔的合金，設(shè)置適當(dāng)容積、足夠的溫度梯度的冒口，就可以有效地防止縮孔和縮松。

對于糊狀凝固的合金，冒口的作用很小，適當(dāng)設(shè)置小冒口，可以在一定限度上減少縮孔缺陷和減少縮松缺陷。二、冒口的類型及設(shè)計(jì)原理

冒口種類

１）按冒口在鑄件上的位置分①

頂冒口：位于鑄件的最高處②

側(cè)冒口：設(shè)置在鑄件的熱節(jié)點(diǎn)處③

補(bǔ)貼冒口：方向凝固④

局部冒口

2）按冒口結(jié)構(gòu)分①

矩形冒口②

圓柱形冒口③

球型冒口3）按冒口內(nèi)腔與大氣之間關(guān)系①

明冒口②

暗冒口大氣壓力冒口③

發(fā)氣壓力冒口

三、冒口的設(shè)計(jì)原則（一）設(shè)置冒口的必要性（二）、冒口位置選擇原則

1方向性（順序）凝固，要使凝固進(jìn)行方向超香冒口

2一般在熱節(jié)上方，厚壁部分設(shè)置；

3冒口應(yīng)比鑄件晚凝固，最后凝固才能補(bǔ)縮；

4冒口在滿足補(bǔ)縮條件下，尺寸盡量小，

5防止裂紋產(chǎn)生，冒口不設(shè)在鑄件應(yīng)力集中處（阻礙收縮），防止引起裂紋；

6盡可能地將冒口設(shè)在方便和容易消除冒口殘根的地方；

7冒口的補(bǔ)縮距離要大于冒口的有效補(bǔ)縮范圍。

（三）確定冒口的種類和類型在選定冒口的種類和類型時要考慮設(shè)置冒口的效果和造型及去除冒口時是否方便。圖3－13是常采用的幾種冒口形式（四）決定冒口的尺寸（1）一般來說，冒口系統(tǒng)（冒口和冒口頸）的凝固應(yīng)晚于鑄件的凝固。（2）冒口要能根據(jù)設(shè)計(jì)的要求提供足夠的金屬來補(bǔ)償鑄件的液態(tài)收縮，凝固收縮以及由于型腔擴(kuò)大而增加的體積。而且要力求鑄件的成品率高。（3）冒口和鑄件受補(bǔ)縮部位之間，要保持一定的溫度梯度和凝固梯度，以保證補(bǔ)縮通道暢通。（五）校驗(yàn)方向性（順序）凝固和多冒口的綜合效果由于冒口的有無及其位置、大小等將直接影響鑄件的溫度場，從而影響凝固的進(jìn)行狀態(tài)。此外，在多冒口的情況下還有可能發(fā)生相互間的干擾。因此需要校驗(yàn)是否不產(chǎn)生缺陷。３－３冒口的設(shè)計(jì)及計(jì)算

以鑄鋼件冒口設(shè)計(jì)為主，凡實(shí)行順序凝固的一切合金鑄件均適用。冒口的設(shè)計(jì)：凝固時間原則：模數(shù)法幾何關(guān)系原則：縮管法熱節(jié)圓法

模數(shù)法基本原理：１、按順序凝固的基本條件，冒口凝固時間τr應(yīng)大于鑄件被補(bǔ)縮部位的凝固時間τc。

已知：式中：Mr,Mc－為冒口、鑄件的模數(shù)；

Kr,Kc－為冒口、鑄件的凝固系數(shù)；

Kr=Kc（一般情況下）得：

一般取f＝1.2則Mr=f·Mcf為冒口系數(shù)（f≥１）

對碳鋼、低合金鋼鑄件，冒口、冒口頸和鑄件模數(shù)關(guān)系：側(cè)冒口Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2

頂冒口Mr=(1.2-1.0)Mc

內(nèi)澆道通過冒口Mc:Mn:Mr=1:(1-1.03):1.2

２、冒口必須能提供足夠的金屬液以補(bǔ)償鑄件在凝固結(jié)束前體收縮（包括型壁移動擴(kuò)大的容積）故應(yīng)滿足：

式中：

Vc、Vr、Ve鑄件、冒口、型壁移動擴(kuò)大的體積；

ε金屬液的收縮率

η冒口補(bǔ)縮效率

M=(1-1.25)M’M=(1-1.143)M’M=(1-1.151)M’

為了保證冒口比鑄件晚凝固，一般取Mr＝1.2McMr=1.2Mc＝2.35

查標(biāo)準(zhǔn)腰圓形冒口表：當(dāng)收縮率＝５％、Mr＝2.42cm、每個冒口能補(bǔ)縮最大鑄件體積＝4.8L（重量37kg）時冒口的尺寸為

a=100mm,

b=200mm,

h=150mm(h=1.5a)。

2）輪轂冒口計(jì)算把輪轂同樣看成長方形桿，則

Mc＝1.92cmMr=1.2Mc=2.3cm

查標(biāo)準(zhǔn)圓柱形暗冒口表：當(dāng)Mr=2.38cm,收縮率為5％、每個暗冒口能補(bǔ)縮的最大鑄件體積為4.1L（重量32kg）時，冒口的尺寸為￠120mm×188mm(h)(h=1.5d)。可見設(shè)計(jì)一個冒口已經(jīng)足夠。

如果考慮砂芯的影響，按照表３－３－３取k＝1.5，則散熱面積減小、相當(dāng)于鑄件厚度增加。于是，重新計(jì)算鑄件的體積和散熱面積（加大桿的厚度）

Mc=2.36cmMr=1.2Mc=2.83cm

查同一表得：冒口的尺寸￠150mm×225mm(h)。這個冒口可能偏大，要通過試澆來選定。（二）補(bǔ)縮液量法

假設(shè)：①鑄件凝固層增長速度與冒口相等；②冒口內(nèi)供補(bǔ)縮用金屬液體積（縮孔體積）為直徑d0的球所以，當(dāng)冒口高度與直徑相等時，鑄件中最大凝固層厚度為壁厚的一半。則冒口中凝固層厚度也為鑄件厚度的一半，因而冒口中縮孔球直徑d0等于冒口直徑與鑄件壁厚之差。

Hd0DrT即d0=Dr-T則Dr=T+d0

T-鑄件壁厚

d0-冒口直徑而且直徑d0的球體積應(yīng)等鑄件（被補(bǔ)縮部分）的總體收縮容積。

即：

πd03=εVc

Vc

鑄件體積ε

金屬凝固體收縮率ε值查表，然后計(jì)算出Vc，再通過d0計(jì)算公式求出補(bǔ)縮球直徑d0，最后用Dr公式求出冒口直徑Dr。

實(shí)際應(yīng)用中，冒口高度大于冒口直徑，取Hr=(1.15-1.8)Dr(三)熱節(jié)圓法

實(shí)踐中總結(jié)出，冒口尺寸相對于熱節(jié)圓直徑的比例關(guān)系，即熱節(jié)圓法：以熱節(jié)圓直徑dy作為冒口計(jì)算的基本參數(shù)的方法計(jì)算（繪圖）原理：

1）確定熱節(jié)圓直徑，一般用做圖法求出。熱節(jié)圓直徑＝零件尺寸＋加工余量＋總尺寸×線收縮率量出熱節(jié)圓直徑T或用幾何公式算出熱節(jié)圓直徑TRcaT–熱節(jié)圓直徑2）按比例確定冒口尺寸①冒口補(bǔ)貼②冒口尺寸的確定冒口直徑B(寬)：明冒口B=(1.8-2.0)T（熱節(jié)圓直徑）暗冒口B=(2.2-2.5)T（熱節(jié)圓直徑）冒口高度:H=(1.15-1.18)B冒口直徑或?qū)捗翱陂L度：A=(1.5-1.8)B冒口寬③冒口補(bǔ)縮距離:Ln=4dy=(4-5)T④鑄件工藝出品率校核:應(yīng)用實(shí)例：已知ZG45鑄鋼輪尺寸如圖所示，試用熱節(jié)圓法計(jì)算明冒口尺寸，并計(jì)算該產(chǎn)品件工藝出品率（澆口重87kg）

（四）提高冒口補(bǔ)縮效率的方法

一般通用冒口占鑄件重30－50％耗費(fèi)金屬材料,為此：提高冒口中金屬液補(bǔ)縮壓力－大氣壓力冒口延長冒口中金屬液保持時間－保溫冒口、發(fā)熱冒口

1)

大氣壓力冒口

在暗冒口頂部安裝細(xì)砂芯，伸入冒口中心，為大氣壓力冒口。澆注冒口表面結(jié)殼，外界大氣壓力仍可作用至金屬液面上，可以增加冒口的補(bǔ)縮壓力。

2)

保溫冒口使用保溫材料、發(fā)熱材料作冒口套。⑴冒口套：耐火材料－石英砂、鎂砂、鉻鐵礦砂保溫材料－膨脹珍珠巖、陶瓷棉、發(fā)泡石膏發(fā)熱劑－鋁粉、氧化鐵粉2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+208×4184J粘結(jié)劑－膨潤土、水玻璃、酚醛樹脂

⑵保溫冒口套實(shí)例:膨脹珍珠巖復(fù)合保溫冒口套珍珠巖8-10%，鋁礬土27-28%，水泥23-25%，陶瓷棉38-40%，適量水

(3)易割冒口

3－8冷鐵和鑄筋

（一）冷鐵

為了增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內(nèi)或表面安放金屬塊，增加金屬冷卻作用，把這種起激冷作用的金屬塊稱為冷鐵。冷鐵分為內(nèi)冷鐵、外冷鐵。內(nèi)冷鐵安放在鑄型壁內(nèi)或型腔內(nèi)，其材質(zhì)要求與鑄件材質(zhì)相同并要求二者能很好的融合為一體；外冷鐵安放在砂型（芯）壁上，不溶入鑄件內(nèi)。冷鐵作用：⑴加快鑄件熱節(jié)部分的冷卻速度，使鑄件趨于同時凝固，有利于防止鑄件變形或出現(xiàn)裂紋。并有可能減少偏析。⑵與冒口配合使用，使鑄件局部冷卻加速，強(qiáng)化了鑄件順序凝固的條件，有利于冒口補(bǔ)縮和擴(kuò)大冒口補(bǔ)縮范圍。這樣不僅有利于防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，還有可能減少冒口的數(shù)目或體積及補(bǔ)貼的斜度，提高工藝出品率。⑶加快鑄件某些特殊部位的冷卻速度，以期達(dá)到提高鑄件表面硬度和耐磨性、細(xì)化基體組織的目的。⑷在難于設(shè)置冒口或冒口不易補(bǔ)縮到的部位放置冷鐵以減少或防止出現(xiàn)縮孔、縮松。⑸對球鐵，用冷鐵進(jìn)行激冷可以增大鑄件表面和中心的溫度梯度，有利于提高石墨化膨脹的利用程度和提高冒口補(bǔ)縮效果。

1、外冷鐵－直接外冷鐵、間接外冷鐵外冷鐵是自鑄件外壁施加激冷作用，它不與鑄件表面溶接，可以回收重用。所以外冷鐵的材料以選擇導(dǎo)熱性好、有足夠高的熔點(diǎn)的為好。直接外冷鐵－金屬激冷材料直接與鑄件相接觸稱為直接外冷鐵間接外冷鐵－金屬激冷材料通過一薄層非金屬材料（如砂子、涂料等厚度在10－15mm）與鑄件相接觸稱為間接冷鐵

要求：①外冷鐵與表面接觸面光潔、去污銹、刷涂料②外冷鐵呈45°角型砂與鐵過渡冷卻③與壁相連接處不易有尖角，隨形④外冷鐵厚度過厚鑄件易裂，過薄易熔合，激冷作用時間短，一般為壁厚的0.5-0.7倍冷鐵尺寸及分布距離2、內(nèi)冷鐵內(nèi)冷鐵澆注后與鑄件熔合在一起，其材料應(yīng)與鑄件材料相同，激冷效果好，作用優(yōu)于外冷鐵，可以消除鑄件的縮孔、縮松。但是，重量過小不易消除縮孔、縮松，過大不易熔合產(chǎn)生裂紋降低性能。其重量計(jì)算：

G冷＝0.28(G2-G1)G冷內(nèi)冷鐵重

G2鑄件厚壁處重量

G1鑄件薄壁處重量要求：①內(nèi)冷鐵應(yīng)噴砂（丸）處理，去銹污，或鍍錫等②型內(nèi)放好冷鐵，3－4小時內(nèi)澆注，防止吸潮產(chǎn)生氣孔③薄壁件不放置內(nèi)冷鐵，承受高溫、高壓等鑄件不應(yīng)該放置內(nèi)冷鐵④內(nèi)冷鐵上方設(shè)出氣孔⑤加工余量應(yīng)小于冷鐵尺寸，加工后不裸露。（二）鑄筋

鑄筋是保證鑄件質(zhì)量的一種工藝措施。收縮筋

-為防止鑄件產(chǎn)生熱裂的稱為收縮筋（割筋）清理去除拉筋

-為防止鑄件產(chǎn)生變形的稱為拉筋（割筋）熱處理后清理去除

1）收縮筋：鑄件凝固收縮受型（芯）阻