濕砂型鑄造汽車球鐵件冒口補縮工藝設(shè)計

濕砂型鑄造汽車球鐵件冒口補縮工藝設(shè)計

3半球道設(shè)計方法介紹3.1確定鑄件截面焊接速度的精確描述還不夠。對于簡單形狀,如立方體、平板、棒狀等,假設(shè)厚度都是1in(25mm),但冷卻的速度是不同的,用模數(shù)(體積/有效冷卻表面積)來描述冷卻的速度;而復(fù)雜形狀的鑄件,應(yīng)分解成幾個簡單形狀的單體并分別確定這些單體的模數(shù)。例如圖27所示鑄件,將其分解為幾個簡單的單體(見圖28),計算公式如下:式中:V———鑄件的總體積;CSA———鑄件總的冷卻表面積;A———任意一邊;B———任意一邊;C———不冷卻的一邊。關(guān)鍵模數(shù)MS=M3=1.8cm。當鑄件包含有中空的截面,型芯的冷卻效果可以近似地看成如下(見圖29):若型芯的直徑d小于鑄件截面直徑D的1/3,即d<1/3D,則型芯的冷卻面積設(shè)為零;若1/3D<d<2/3D,則型芯的冷卻面積設(shè)為50%;若d>2/3D,則型芯的冷卻面積設(shè)為100%。另一種更仔細的考慮型芯對冷卻效果的影響的方法是:根據(jù)型芯存在降低了鑄件的冷卻效果,相當于增大了鑄件的截面厚度,在計算鑄件模數(shù)時,應(yīng)將鑄件截面的計算厚度增大。用截面增大系數(shù)k(見表1)乘以截面厚度作為計算厚度。3.2澆注道條式的澆注根據(jù)“冒口選擇樹狀圖”(見圖30),按以下原則來選擇冒口類型。(1)根據(jù)鑄型剛度和鑄件模數(shù)來選擇:軟鑄型,鑄件模數(shù)大于0.4cm時,采用控制壓力冒口(PCR)或錐形冒口(BR)設(shè)計;鑄件模數(shù)小于0.4cm時,可采用澆道直接補縮。剛性鑄型,鑄件模數(shù)小于2.5cm時,采用直接實用冒口(DAR)設(shè)計;鑄件模數(shù)大于2.5cm時,采用無冒口設(shè)計。(2)不同于鋼、白口鐵等,石墨鑄鐵的冒口設(shè)計要使鐵液凝固時的膨脹能用來補縮。3.3冒口尺寸計算(1)決定鑄件的關(guān)鍵模數(shù)MS;(2)估算鑄型和鐵液的質(zhì)量,然后選擇適當?shù)拿翱谘a縮方法;(3)決定相應(yīng)的鐵液輸送模數(shù)(即冒口頸模數(shù)MN),和每個鑄件所需冒口的數(shù)量;(4)選擇冒口的類型,計算冒口的模數(shù)和尺寸大小(MR);(5)選擇冒口頸類型,計算冒口頸尺寸;(6)校驗冒口的有效補縮量是否滿足鑄件補縮的需要;(7)在選擇冒口補縮方法的基礎(chǔ)上選擇澆注溫度。4設(shè)計各種基本類型的偽造孔的基本方法4.1控制壓力噴射4.1.1壓力冒口補縮絕大多數(shù)濕型和殼型工藝生產(chǎn)的球鐵鑄件應(yīng)當采用控制壓力冒口補縮。其補縮機理是控制在冷卻和凝固期間產(chǎn)生的石墨化膨脹壓力,使其處于不產(chǎn)生二次收縮缺陷的最小壓力和使鑄型脹大的最大壓力之間,見圖31。4.1.2鑄件縮縮和暗冒口(1)鑄件和冒口澆滿后澆注完成,見圖31(a),鐵液發(fā)生液態(tài)收縮;(2)冒口補償鑄型中鐵液的收縮,見圖31(b);(3)當鑄型中鐵液石墨化膨脹開始時,通過被加壓的鐵液從鑄件“回補”再填充暗冒口來避免鑄型的變形;(4)理想的冒口應(yīng)使“回補”在石墨化膨脹結(jié)束前剛好將冒口再填滿,見圖31(c);(5)使鑄型中的鐵液處在低的正壓力下,以防止二次收縮缺陷。4.1.3鑄造冒口尺寸設(shè)計(1)決定鑄件關(guān)鍵(最大的)模數(shù)MS;(2)根據(jù)鑄件關(guān)鍵模數(shù)查#3卡片(圖32)決定冒口頸模數(shù)MN;(3)根據(jù)鑄件關(guān)鍵模數(shù)查#3卡片決定冒口模數(shù)MR;(4)選擇暗冒口類型和計算冒口直徑(圖33);(5)主要的冒口設(shè)計參數(shù)以直徑D表示;冒口高度=1.5×D,或當冒口頸安置在下型板時,冒口高度=1.5D+冒口頸高度;(6)用以下公式計算冒口頸尺寸:圓柱形或方形冒口頸直徑或邊長=4×MN;矩形冒口頸=3×MN/6×MN;或2.67×MN/8×MN;或2.5×MN/10×MN;或2.4×MN/12×MN。冒口頸尺寸度量以冒口頸底面尺寸為準;(7)為方便清除冒口,在冒口頸與鑄件接觸處需做出易斷缺口,缺口的深度可達冒口頸與鑄件接觸處厚度的1/5。由于控制壓力冒口頸較大,缺口是否做到位對清除冒口很關(guān)鍵,必要時在矩形冒口頸的三個面上都做易斷缺口,具體見圖34;(8)為進行澆注系統(tǒng)的設(shè)計計算和收得率的計算,確定冒口的體積(質(zhì)量);冒口有效補縮體積:認為只有高于鑄件最高點的冒口部分才有補縮鑄件液態(tài)收縮的作用,按冒口直徑和有效冒口高度x查#5卡片(圖35)得有效補縮體積。將冒口的有效補縮體積和鑄件需補縮體積比較,若冒口有效補縮體積小于鑄件所需補縮體積,則應(yīng)使用更大的冒口或多個冒口。(9)最大補縮距離應(yīng)設(shè)定為10×MN。(1)冒口頸模數(shù)的大小與鐵液的冶金質(zhì)量有關(guān),冒口頸模數(shù)除了用#3卡片查得外,還可由圖36查得冒口頸計算系數(shù)f,然后按公式MN=f×MS計算。(2)另有冒口頸模數(shù)與冒口模數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式:MN=0.67×MR,比#3卡片查得和由系數(shù)f計算的冒口頸要小一些,但對鑄件清理更有利些。4.1.5內(nèi)澆道模數(shù)mn的要求為了使控制壓力冒口系統(tǒng)正確發(fā)揮補縮作用,必須使?jié)沧⑾到y(tǒng)在鑄件澆注結(jié)束、冒口充滿時迅速與冒口隔離。這一要求可以通過采用比冒口頸模數(shù)MN小得多的內(nèi)澆道模數(shù)(MG)使之很快凍結(jié)來實現(xiàn)。為此目的,須使MG≤0.2MN,即采用薄、寬的內(nèi)澆口截面,若因內(nèi)澆口截面積需要,MG不能滿足這個條件,則應(yīng)增加內(nèi)澆口數(shù)量以保持足夠的總內(nèi)澆道截面積,這樣,單個內(nèi)澆口的尺寸和模數(shù)減小,但澆注時間不變。4.1.6表型材料和冒口(1)圖37為重型卡車輪轂鑄件,質(zhì)量75kg,在采用剛度較低的濕砂型時,由于在A處易存在縮孔缺陷,廢品率很高。鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=0.77in,即1.96cm。模板布置見圖38。采用控制壓力冒口方法設(shè)計冒口:將鑄件截面分成3塊(見圖39)。分塊(3)是鑄件產(chǎn)生縮孔的關(guān)鍵部位,以M3作為鑄件的關(guān)鍵模數(shù),查#3卡片,MR=0.61in=1.55cm;選擇暗冒口類型為Ⅱ型;冒口直徑DR=4.91×MR=4.91×0.61=3.0in=7.61cm;冒口高度為1.5×3.0=4.5in=11.43cm,冒口窩高度=冒口頸高度,見圖40。冒口頸模數(shù)及尺寸:查#3卡片,MN=0.40in=1.02cm;冒口頸形狀為正方形,邊長=4×MN=1.6in=4.07cm;冒口頸形狀為圓柱型,直徑=4×MN=1.6in=4.06cm;冒口頸形狀矩形,短邊=3×MN=1.2in,長邊=6×MN=2.4in=6.10cm。驗算冒口補縮體積:鑄件質(zhì)量150lb(68kg),鑄件體積為150/0.25=600in3=9832.24cm3;鑄件需補縮體積:4%×600=24in3=393.29cm3;冒口在鑄件最高點以上部分的高度x=4.5in=11.43cm,查#5卡片,在冒口直徑為3in(7.62cm)時有效補縮體積為25in3(409.68cm3)滿足補縮要求。(2)圖41為瑞士Emmenbrúcke鑄造廠生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子,材料牌號:GGG40.3(即QT400-18,低溫-20℃沖擊韌度14J)。鑄件質(zhì)量26kg,濕砂型鑄造,鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=1.90cm,MA-A=1.30cm,MB-B=1.25cm,查冒口頸系數(shù)與關(guān)鍵模數(shù)的關(guān)系(圖36)得f=0.6。冒口頸模數(shù)MN=0.6×1.9=1.14cm,從#3卡片中可知當鐵液冶金質(zhì)量較差時,鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=1.90cm查得的冒口頸模數(shù)也是1.1~1.2cm,相對于MN=1.14cm,可查得冒口模數(shù)MR=1.37cm,采用Ⅱ型側(cè)暗冒口,冒口直徑DR=4.91×1.37=6.73cm,取DR=7.0cm,冒口高度1.5×7=10.5cm。由MN=1.14cm,采用方形冒口頸,冒口頸邊長為4×1.14=4.56cm,取4.5cm×4.5cm。驗算冒口補縮體積:鑄件體積:26×1000/6.9=3768cm3,需補縮鐵液體積4%×3768=150.72cm3,已知鑄件最高點高度5.5cm,冒口高10.5cm,x=5.0cm,查#5卡片可知每個冒口可補縮鐵液體積約120cm3,2個冒口則為240cm3>150.72cm3,滿足補縮要求。(3)圖42為瑞士Emmenbruck鑄造廠生產(chǎn)的皮帶輪,材料牌號為球鐵GGG40,鑄件單重20kg。水平濕砂型鑄造,鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=1.0cm。查冒口頸計算系數(shù)f與鑄件關(guān)鍵模數(shù)的關(guān)系圖,在鐵液冶金質(zhì)量較差時f=0.8,則MN=Fms=0.8cm。查#3卡片,在冶金質(zhì)量最差時MN也為0.8cm。相對于MN=0.8cm,查#3卡片可得MR1=0.96cm,由于1個冒口補縮2個鑄件,將冒口模數(shù)增加50%,即MR=0.96×1.5=1.44cm,選用Ⅱ型側(cè)暗冒口,冒口直徑DR=4.91×1.44=7.07cm,,取7.0cm,冒口高1.5×7.0=10.5cm。由MN=0.8cm,采用方形冒口頸,邊長為4×0.8=3.2cm;冒口頸截面尺寸3.2cm×3.2cm。驗算冒口補縮體積:鑄件體積=20×1000/6.9=2898.5cm3,需補縮鐵液體積:2×4%×2898.5=231cm3。若鑄件分型面以上高度為5.0cm,則冒口在鑄件最高點以上高度為10.5-5.0=5.5cm,查#5卡片,x=5.5cm,DR=7.0cm,可補縮鐵液量為135cm3<231cm3,不能滿足要求。加大冒口,DR=8.0cm,HR=12cm,x=7cm,查#5卡片,可補縮鐵液量為231cm3,可滿足要求。(4)圖43,圖44為巴基斯坦BFLKarachi鑄造廠生產(chǎn)的前輪轂,材料牌號為球鐵GGG40,鑄件單重5.5kg,濕砂型,垂直分型DISA線生產(chǎn),一型2件。鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=1.0cm。若鐵液冶金質(zhì)量為中等,查#3卡片,可得MN=0.66cm;若查冒口頸計算系數(shù)與鑄件關(guān)鍵模數(shù),也可得f=0.66,冒口頸模數(shù)亦為MN=0.66cm。由MS=1.0cm查#3卡片,可得MR1=0.8cm,因冒口1補2,須將冒口模數(shù)增加50%,MR=1.5×0.8=1.2cm,選用類似于Ⅱ型冒口,冒口直徑DR=4.91×1.2=5.89cm,取DR=6.0cm,冒口高度=1.5×6.0=9.0cm,冒口窩高2cm。由MN=0.66cm,采用矩形冒口頸,冒口頸截面尺寸:高=0.66×3=2.0cm,寬=0.66×6=4.0cm;鑄件體積=5800/6.9=840.58cm3,2個鑄件體積=1681.2cm3,需補縮鐵液體積=2×4%×840.58=67.3cm3,從工藝圖上可知x=4.5cm,查#5卡片可得冒口有效補縮體積為78cm3(>67.3cm3),滿足要求。4.2圓錐形冒出式設(shè)計4.2.1冒口的設(shè)計特點1982年由RWHeine提出錐形冒口,其補縮原理與控制壓力冒口完全相同,只是為了增強補縮效果及節(jié)約鐵液而對普通控制壓力冒口的一種改進。為改善補縮效果,在冒口中迅速產(chǎn)生“縮管”(縮孔)是很重要的,這樣冒口中的鐵液就能有效補縮到鑄件中去。由于球鐵中Mg的成分導(dǎo)致氧化表層,故在較低的溫度球鐵傾向于形成一層很薄的表皮,一旦冒口中形成這一表層,就使鐵液與大氣隔離,在冒口中產(chǎn)生真空,冒口將難以補縮。為此,冒口頂端往往設(shè)計一個V形槽或小窩,由于有如此小的頂面直徑,將使縮管很快形成,為了有足夠的補縮鐵液體積,這種冒口必須設(shè)計得比傳統(tǒng)冒口高些。通常冒口高度與直徑的比例為1.5:1,對于錐形冒口,其高度與直徑比例要按所需補縮金屬量而定,通常補縮金屬量設(shè)為鑄件的4%,其中包括保險因素,這類冒口不取決于澆注溫度,因為這種冒口是如此有效,能增加鑄件的工藝出品率(實收率)達2%或更多,見圖45。4.2.2冒口尺寸計算冒口尺寸由鑄件關(guān)鍵模數(shù)和鑄件質(zhì)量計算而得,鑄件模數(shù)和質(zhì)量決定了所需補縮的鐵液量,設(shè)計的方法是:(1)根據(jù)鑄件質(zhì)量計算鑄件所需補縮量,公式為:鑄件所需補縮量=4%×鑄件質(zhì)量;(2)按照所需補縮鐵液質(zhì)量在補縮鐵液需要量表中(表2)選擇冒口高度與冒口頂面直徑比例和頂面直徑;(3)根據(jù)以下公式,用鑄件的關(guān)鍵模數(shù)來計算冒口尺寸:冒口直徑=4×MS+冒口頂面直徑;冒口高度=冒口高度與冒口頂面直徑之比×冒口頂面直徑;冒口補縮質(zhì)量:由冒口頂面直徑以及冒口高度與冒口頂面直徑比例確定,見表2。相對于砂箱高度而言,盡可能采用較高的冒口;(4)冒口頸計算采用和控制壓力冒口設(shè)計同樣的方法;(5)計算舉例:鑄件質(zhì)量=85kg,上箱高度=330mm,鑄件的關(guān)鍵模數(shù)MS=15mm,所需補縮的鐵液量=4%×85=3.4kg。從表2中選擇頂面直徑為50mm,高度與頂面直徑比例為5:1的錐形冒口,并從表2中查得所需補縮鐵液量為3.434kg,能滿足所需補縮得鐵液量(3.4kg)的要求。冒口底部直徑=4×15+50=110mm,冒口高度=5×50=250mm。4.2.3冒口頸模數(shù)計算和設(shè)計(1)輪轂盤鑄件:牌號為QT400-12,鑄件質(zhì)量2.85kg,濕砂型水平分型,鑄件斷面見圖46。一型6件,3件一組共用一個冒口,型板布置見圖47。鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=1.0cm,冒口需補縮的鐵液量為:2.85×4%×3=342g,從表2中選擇頂面直徑為20mm、冒口高度比為8:1的錐形冒口,補縮鐵液量為352g,符合要求。單個鑄件冒口底部直徑=4×MS+冒口頂直徑,現(xiàn)冒口1補3,每增加1個鑄件,模數(shù)增加50%,MS=1+0.5+0.5=2cm,則冒口底部直徑為4×2+2=10cm,冒口高度為2×8=16cm,取為160mm。從#3卡片中查得MS=1.0時冒口頸模數(shù)MN為0.65,取冒口頸高度A=1.7cm,冒口頸寬度B=5.0cm。按照控制壓力冒口對內(nèi)澆道的要求,內(nèi)澆道模數(shù)MG=0.2MN=0.55×0.2=0.11cm,內(nèi)澆道厚度為4×MG=4.4mm,考慮到有3個冒口頸,可取為5mm。(2)鏈節(jié)鑄件,球鐵牌號GGG80,鑄件質(zhì)量5kg,濕砂型鑄造,鑄件關(guān)鍵模數(shù)1.50cm,一型2件,合用一個冒口,見圖48。鑄件需補縮鐵液量為4%×5kg×2=400g,在表2中選取頂面直徑2.5cm、冒口高度比6:1的錐形冒口。補縮鐵液量為577g(用中間插入法),滿足要求。冒口底部直徑=4×MS+冒口頂面直徑,因1個冒口補2個鑄件,冒口需增強,MS=1.5×1.5=2.25cm,則冒口底部直徑=4×2.25+2.5=11.5cm,冒口高度為2.5×6=15cm。由MS=1.5cm查#3卡片,取冒口頸模數(shù)為0.8cm,冒口頸尺寸2.1cm×6.5cm。(3)輪轂鑄件,球鐵牌號GGG40,1個冒口補縮4個鑄件,見照片圖49。鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS=1.0cm,每個鑄件重2.5kg,濕砂型鑄造。鑄件需補縮的鐵液量為4%×2.5×1000=100g,4個鑄件共需補縮鐵液4×100g=400g。在錐形冒口補縮鐵液量表中查得高度比為5:1、頂面直徑為3.0cm的冒口,其可補縮鐵液量為741g,能滿足要求。由于冒口1補4,冒口需增強,按每增1個鑄件增強50%計,冒口底面直徑=4×2.5×MS+冒口頂面直徑=4×2.5×1.0+3.0=13.0cm;冒口高度=5×3.0=15cm。冒口頸模數(shù)由MS=1.0cm,查#3卡片得MN=0.7cm,冒口頸尺寸為1.8cm×6.5cm。4.3.1次膨脹壓力補償直接實用冒口的作用僅是為了補償鑄件的液態(tài)收縮,在液態(tài)收縮終止或共晶膨脹開始時,冒口頸即行凝固,利用鑄件全部共晶膨脹壓力補償鑄件的二次收縮以消除鑄件的縮松(又可稱全壓力冒口)。為此,冒口頸必須在液態(tài)收縮結(jié)束時及時凝固,故其冒口頸要比前述控制壓力冒口頸小,有利于冒口的清除。因冒口只能補償鑄件的液態(tài)收縮,因此要求鑄型是剛性的,能承受鐵液冷卻和凝固期間的全部膨脹壓力。由于冒口能補償液態(tài)收縮,所以可采用比無冒口設(shè)計時更高的溫度來澆注較薄截面的鑄件。4.3.2剛性鑄型應(yīng)注意的問題根據(jù)以上原理,必須滿足以下條件時,直接實用冒口設(shè)計才是安全的:(1)當采用濕砂型或不填砂的殼型等低剛度鑄型時,鑄件關(guān)鍵模數(shù)MS≤0.4cm;(2)若MS>0.4cm,鑄型必須是干型、充分緊實的自硬砂型、水泥砂型、V法砂型等剛性鑄型;(3)鑄件的澆注溫度波動最好不超過±14℃。由于直接實用冒口僅補償液態(tài)收縮,凝固收縮和二次收縮靠石墨化膨脹自補縮,因此與壓力控制冒口不同,其關(guān)鍵模數(shù)可以取鑄件分體中最小部分的模數(shù),因為此處的共晶膨脹最先開始,只要這部分的膨脹量足以補償相鄰較大分體在共晶膨脹前的收縮量,那就可以取最小部位的模數(shù)作為關(guān)鍵模數(shù),并將冒口設(shè)置在較小的分體部分,這樣冒口和冒口頸都可較小。當然,也可在較大分體部位設(shè)置直接實用冒口,并取較大部位的模數(shù)作為關(guān)鍵模數(shù),這樣冒口和冒口頸要比前者大。4.3.4“均衡凝固”的提出在介紹了直接實用冒口鑄件關(guān)鍵模數(shù)的確定后,需要特別聯(lián)系到“均衡凝固技術(shù)”關(guān)于“冒口設(shè)置要離開鑄件熱節(jié),冒口不必晚于鑄件凝固,冒口尺寸可小于鑄件熱節(jié),以及使用短、薄、寬小冒口頸”的觀點,筆者認為均衡凝固技術(shù)可能是從直接實用冒口概念引伸發(fā)展而來,至少在結(jié)論上有類同之處。然而直接實用冒口如上所述,有一定的適用條件,因此“均衡凝固技術(shù)”關(guān)于冒口和冒口頸設(shè)計的原則,即便有道理,也僅在一定的使用條件下適合。并不能推廣至所有鑄鐵件的冒口工藝設(shè)計,例如濕型大批量生產(chǎn)的汽車中小球鐵件。4.3.5澆注溫度的確定由于直接實用冒口的冒口頸須在鑄件共晶凝固前及時凝固,因此鑄件的澆注溫度控制十分重要?？筛鶕?jù)冒口設(shè)置處鑄件的壁厚,由圖50選擇合適的澆注溫度,同時注意控制澆注溫度的波動范圍以符合上述的適用條件。4.3.6冒口頸模數(shù)的測量為使冒口頸在關(guān)鍵模數(shù)鑄件分體液態(tài)收縮結(jié)束、共晶膨脹開始時及時凝固,應(yīng)使關(guān)鍵分體冷卻到共晶溫度時單位表面散出的熱量等于冒口頸冷卻到凝固時單位表面散出的熱量。前者為:Q/S=MS(Ty-1150)×C×R后者為:Q/S=MN(Ty-1150)×C×R+MN×L×R=MN×R[C(Ty-1150)+L]式中:Q——散出的熱量/J;S———表面積/cm2;MS———關(guān)鍵模數(shù)/cm;Ty———澆注完畢后的鐵液溫度/℃;C———比熱(對鑄鐵:0.84J/℃·g);R———密度(對鑄鐵:7g/cm3);L———熔化潛熱(對于鑄鐵:209J/g);MN———冒口頸模數(shù)/cm。由MS(Ty-1150)×C×R=MN×R[C(Ty-1150)+L]可導(dǎo)出冒口頸模數(shù)的計算公式:MN=MS(Ty-1150/Ty-1150+L/C),由于L/C=250℃,所以冒口頸模數(shù)計算公式可簡化為:MN=MS(Ty-1150/Ty-900)。使用這個公式時有兩個問題:一是Ty不是易測量的澆注溫度而是澆注完畢的鐵液溫度,測量不現(xiàn)實,只能估算;二是實際上冒口頸區(qū)域比鑄件關(guān)鍵分體要熱,鑄件越大越是這樣,用此公式,對于較大的鑄件,計算的冒口頸可能偏大。4.3.7澆注系統(tǒng)的面尺寸為了方便使用,國外學(xué)者在考慮澆注時的溫度損失、鑄件外殼凝固的熱損失和冒口頸熱量對冒口頸凝固時間的影響,將上述公式修正成圖51。根據(jù)MS,可用此圖來查得冒口頸模數(shù)MN。根據(jù)MN,計算冒口頸截面尺寸:對于圓截面,直徑=4×MN;對于方截面,邊長=4×MN;對于矩形截面,短邊=3×MN,長邊=6×MN;要求冒口頸的長度≥5×截面最小尺寸。這一特點對于直接實用冒口應(yīng)用并不是一個障礙,長冒口頸反而為冒口的設(shè)置提供了靈活性,圖52所示鑄件只需一個冒口。若直接實用冒口應(yīng)用在MS≤0.4cm的薄鑄件上時,因冒口頸模數(shù)小,內(nèi)澆道可以取代冒口頸作用,而直澆道和橫澆道可以取代冒口作用,故可直接采用澆注系統(tǒng)補償液態(tài)收縮。此時,澆道截面應(yīng)符合MN的要求。當MS>0.4cm時,必須采用剛性鑄型,并用直接實用冒口來補償液態(tài)收縮,當MS>2.5cm時,則可采用無冒口技術(shù)。4.3.8鐵液收縮量單(1)直接實用冒口的大小以鑄件液態(tài)收縮體積而定;(2)若鑄件澆注溫度為1400℃,澆注充型中降溫約50℃,鐵液每降低100℃的液態(tài)收縮量為1.6%~1.8%,鐵液從1350℃降至1150℃的液態(tài)收縮量為2.0×(1.6~1.8)=3.2%~3.6%,故取液態(tài)收縮量4%是安全的。(3)冒口設(shè)計應(yīng)使有效補縮體積大于鑄件的液態(tài)收縮,若已知鑄件需補縮的鐵液體積和鑄件高度,即可從#5卡片查得冒口的直徑和高度。4.4適用于保溫或加熱通道的應(yīng)用4.4.1熱冒口的設(shè)計發(fā)熱冒口或保溫冒口的作用是能采用更小的冒口或可采用冷冒口(澆道不進入的冒口,例如頂冒口和孤立冒口)。普通冒口只能利用冒口體積的14%作為補縮金屬體積,而發(fā)熱冒口則能提供最多達70%的補縮金屬體積。此類冒口也可按照待補縮鑄件的關(guān)鍵模數(shù)來設(shè)計,此時一般可以用相對小的冒口來補縮鑄件。一般的發(fā)熱和保溫冒口可增加有效模數(shù),保溫冒口的有效模數(shù)相當于普通冒口的1.3~1.4倍,熱冒口的有效模數(shù)相當于普通冒口的1.4~1.5倍。國外有一種特殊的、稱為“迷你冒口”的冒口系統(tǒng)是一種小的發(fā)熱冒口,這種冒口有效模數(shù)可為普通冒口的2.3倍。4.4.2周界商q的確定保溫或發(fā)熱冒口同樣需測量或計算鑄件的關(guān)鍵模數(shù)以及鑄件質(zhì)量來確定冒口的尺寸,只不過按不同型號發(fā)熱或保溫冒口的性能將冒口縮小1.3~1.5倍,還要驗算冒口尺寸能否滿足補縮鐵液量的需要。此時鑄件實際需補縮鐵液量是鑄件質(zhì)量的3%~5%,這個比例取決于鑄型剛度、鐵液冶金質(zhì)量和澆注溫度。采用保溫冒口時,冒口補縮效率η=冒口補縮體積/冒口初始體積,為25%~45%。η的大小取決于鑄件的體積周界商Q,鑄件的體積周界商按公式Q=VC/MC3計算。式中VC———鑄件體積/cm3;MC———鑄件模數(shù)/cm。周界商是描述鑄件密實程度的參數(shù),也可反映鑄件結(jié)構(gòu)中厚壁與薄壁的搭配。在鑄件模數(shù)相同時,周界商小,鑄件密實度大,厚實,薄壁部分不豐富。反之,周界商大則鑄件密實度小,薄壁部分豐富。直徑為a的球體與其外切的等邊圓柱體、立方體有相同的模數(shù),但周界商不同,球體Q=113,等邊圓柱體Q=170,立方體Q=216。保溫冒口的補縮效率η與周界商Q的關(guān)系見表3。在采用發(fā)熱冒口時,根據(jù)國外鑄造專家的經(jīng)驗,冒口的最大利用率(即有效補縮體積)不應(yīng)超過其體積的70%,最大取η為2/3。4.4.3發(fā)熱冒口模數(shù)、無冒口窩冒口有一個關(guān)鍵模數(shù)為2.5cm、質(zhì)量為20kg的球鐵鑄件,發(fā)熱冒口可按如下計算:由MC=2.5cm,查#3卡片,MR=1.5cm,由于熱冒口有效模數(shù)會增加至普通冒口的1.43倍,故發(fā)熱冒口的有效模數(shù):MGH=MR/1.43=1.5/1.43=1.05cm,選用Ⅰ型無冒口窩冒口。冒口直徑D=1.05×5.68=5.96cm,取D=6cm;冒口高H=6×1.5=9.0cm;冒口體積V=(1+0.75)/2×D2×H×0.785=222.5cm3;冒口質(zhì)量G=222.5×6.9=1535g;鑄件需補縮鐵液量為20×1000×4%=800g,發(fā)熱冒口可補縮鐵液量為1535g×0.67=1028g>800g,冒口能滿足鑄件補縮鐵液需要。4.4.4易割冒口片片在使用發(fā)熱和保溫冒口時,冒口頸設(shè)計也是非常重要的,有必要采用一種位于鑄件和冒口之間的易割冒口片。易割冒口片中的孔徑應(yīng)為冒口直徑的1/3,過小會影響補縮效果,過大不利于冒口的清除。所有的發(fā)熱冒口中都含有Al和其它與之反應(yīng)的元素,這些元素可能會引起石墨球化衰退,此外,這些元素進入砂處理系統(tǒng),尤其是在沒有燒掉的情況下,可能會引起鑄件的“發(fā)裂”。4.5其他進口設(shè)計方法和評估除了以上論述的各類冒口設(shè)計方法外,還需要介紹其它一些冒口的設(shè)計方法。4.5.1鑄造質(zhì)量周界商收縮模數(shù)法冒口設(shè)計中冒口模數(shù)的計算公式:式中:MR———冒口模數(shù);f1———冒口平衡系數(shù);f2———收縮模數(shù)系數(shù);f3———冒口壓力因素;MC———鑄件模數(shù)。冒口平衡系數(shù)f1的概念是冒口模數(shù)MR與冒口補縮終了時的殘余模數(shù)MR殘之比。補縮過程中冒口模數(shù)逐漸減少并趨近于鑄件收縮模數(shù)MS,即:冒口平衡系數(shù)f1=MR/MR殘=MR/MS。f1的大小與鑄件的質(zhì)量周界商有關(guān)(Qm=GC/MC3,與體積周界商概念相同,但體積周界商無單位,質(zhì)量周界商的單位是kg/cm3)。冒口平衡系數(shù)f1、冒口補縮效率η和鑄件質(zhì)量周界商取值見表4。均衡凝固理論將鑄件凝固過程設(shè)定為先收縮后膨脹,因此鑄件收縮階段時間AP小于鑄件的總凝固時間AC,AP/AC=PC,PC為收縮時間分數(shù),而收縮模數(shù)系數(shù)。PC的計算,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的回歸分析得到的近似公式為:冒口壓力系數(shù)f3是冒口的安全余量,保證冒口補縮終了時,冒口中還應(yīng)有一定的鐵液,以形成最后補縮鐵液的壓力。f3也與鑄件的質(zhì)量周界商有關(guān),其取值見表5。對于單個冒口同時對多個鑄件補縮的情況,即“一冒雙補”或“一冒多補”的情況。在計算冒口模數(shù)時,需將f1增大,可由下式計算:N為單個冒口補縮鑄件的數(shù)目。對于多個冒口共同補縮一個鑄件的情況,f1將減小,可由式f1J=(f1-1/N)+1近似計算。4.5.2鑄造工藝參數(shù)的確定計算公式為:MN=fp×f2×f4×MCMC———鑄件模數(shù);fp———流通效應(yīng)系數(shù);f4———冒口頸長度系數(shù);f2———收縮模數(shù)系數(shù)。流通效應(yīng)系數(shù)fp表示冒口頸在補縮過程中的流通效應(yīng),fp=MN/MS=MN/f2MCfp=0.45~0.65。熱冒口大的鑄件取fp=0.45,熱冒口小的鑄件取fp=0.50,冷冒口鑄件取fp=0.50~0.65。冒口頸長度系數(shù)f4取值,按表6選取。由于f2的計算中需進行自然對數(shù)e的指數(shù)運算,不甚方便,為此在收縮模數(shù)法的基礎(chǔ)上,制成列表?？商峁┲苯硬楸泶_定冒口和冒口頸模數(shù),稱為收縮模數(shù)列表法冒口設(shè)計。4.5.4pcr查表法和收縮模數(shù)法(1)用收縮模數(shù)法對前述控制壓力冒口實例的計算和對比實例1:重型卡車輪轂鑄件,鑄件模數(shù)MC=1.96cm,鑄件質(zhì)量GC=75kg,鑄件質(zhì)量周界商Qm=GC/MC3=75/1.96=9.96kg/cm3,收縮時間分數(shù):,查表得冒口平衡系數(shù)f1=1.20,查表得冒口壓力系數(shù)f3=1.30。冒口模數(shù)計算:MR=1.2×0.5×1.3×1.96=1.53cm,與控制壓力冒口實例1查圖表所得MR=0.61in=1.55cm,基本一致。但若用收縮模數(shù)列表法查得f1=1.41,f2=0.5,f3=1.30,MR=1.83cm,則要比PCR查表法得到MR大很多。冒口頸計算:fp=0.5,f4=0.9,f2=0.5,則MN=0.5×0.5×0.9×1.96=0.44cm;若用收縮模數(shù)列表法查得MN=0.5cm;都要比PCR查表法得到MN=0.4in=1.02cm小很多。對控制壓力冒口中4個實例,分別用收縮模數(shù)法和收縮模數(shù)列表法計算冒口與冒口頸模數(shù),并將結(jié)果與PCR查表法比較,如表7。(2)對收縮模數(shù)法和收縮模數(shù)列表法的分析評價分析表7中計算結(jié)果可知:(1)用收縮模數(shù)法計算的冒口模數(shù)與控制壓力冒口(PCR)圖表法得到得冒口模數(shù)基本相同或稍大,僅在“一冒多補”情況下,因僅將f1超過1.0的部分加倍,冒口模數(shù)可能小于PCR法將冒口模數(shù)增加50%的結(jié)果。(2)用收縮模數(shù)列表法查得的冒口模數(shù)則因表中f1數(shù)值偏大而使結(jié)果較PCR法大。(3)均衡凝固理論強調(diào)要充分利用石墨化膨脹和收縮動態(tài)疊加的自補縮以減小補縮冒口,甚至認為冒口直徑可以小于鑄件熱節(jié),但由其推出的冒口計算法中由于多個系數(shù)相乘緣故,實際結(jié)果卻反而與傳統(tǒng)