鑄造工藝學 第2版 課件 余歡 第4、5章 澆注系統(tǒng)、冒口及冷鐵

第4章

澆注系統(tǒng)第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.1概論1.基本組成：澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道2.主要作用：引流（合理充填）和補縮設計不當會導致許多缺陷：澆不足、冷隔、沖砂、氣孔、氧化夾雜、夾砂、縮孔縮松、熱裂、以及鑄件形狀、尺寸不合格等。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.1.1液態(tài)金屬在澆注時的特性1.流體力學特性（1）粘性液體流動

金屬流體都用粘性而非理想流體粘性隨金屬液溫度的降低而不斷增高（2）多相流動

金屬液中有固相夾雜和氣相氣泡第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.1.1液態(tài)金屬在澆注時的特性1.流體力學特性（3）不穩(wěn)定流動

不穩(wěn)定的熱交換導致不穩(wěn)定的流動，如粘度變稠、結晶體增加流動摩擦阻力，鑄型發(fā)氣導致氣體反壓力等（4）紊流流動

雷諾數Re常大于臨界雷諾數Re臨如：ZL104，T澆=670℃，

φ20mm直澆道流動，v=50cm/s，Re=25000，>>2320。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（5）在“多孔管”中流動由于砂型透氣，可能帶來“粘砂”或“卷氣”導致氣孔。

液態(tài)金屬在一定壓力下在多孔管骨中流動之所以不滲入砂型中，是由于液態(tài)金屬的表面張力和型壁中氣體反壓力的作用。

綜上所述，液態(tài)金屬的水力學特性與理想液體比較有明顯的區(qū)別。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.金屬的氧化-二次夾雜的產生

輕金屬（如Al、Mg等）最大的特點是易氧化，鋁合金氧化后在表面會形成一層致密氧化膜，它可以防止金屬液的進一步氧化。這時，氧化膜會成為進一步流動的阻力；如果氧化膜破碎，金屬液表面會產生新的氧化膜，而破碎的氧化膜會混入金屬液中，成為氧化夾雜-二次夾雜。這也是要求控制液態(tài)金屬流動時Re數的原因。而鎂合金的氧化更劇烈，這需要在澆注時采取特殊措施。4.1.2對澆注系統(tǒng)的要求第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

總的說來，澆注系統(tǒng)應滿足二個要求：

第一，澆注系統(tǒng)應該完成其主要任務，即保證進入型腔的金屬液質量，并為充型后形成優(yōu)質鑄件創(chuàng)造良好條件。

第二，澆注系統(tǒng)結構應力求簡單，體積小，在保證鑄件質量的前提下盡量降低消耗，提高經濟效益。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學具體說來，有以下五點：1)應在一定的澆注時間內，保證充滿鑄型。保證鑄件輪廓清晰，防止出現冷隔、澆不足、流痕、氧化夾雜和內澆道附近縮松等缺陷。2)應能控制液體金屬流入型腔的速度和方向，盡可能使金屬液平穩(wěn)流入型腔，防止發(fā)生沖擊、飛濺和旋渦等不良現象，以免鑄件產生氧化夾渣、氣孔和砂眼等缺陷。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3)應能把混入金屬液中的熔渣和氣體擋在澆注系統(tǒng)里，防止產生夾渣和氣孔缺陷。4)應能控制鑄件凝固時的溫度分布，減少或消除鑄件產生縮孔、縮松、裂紋和變形等缺陷。5)在滿足上述要求的前提下，澆注系統(tǒng)結構應力求簡單，簡化造型、減少清理工作量和液體金屬的消耗。

上述要求是概括了鑄件生產工藝而提出來的。但對于某一種結構形式的澆注系統(tǒng)而言，不一定能全部滿足上述要求。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.2液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中的流動情況4.2.1液態(tài)金屬在澆口杯中的流動情況1.澆口杯的作用：①承接來自澆包的金屬液，防止金屬液飛濺和溢出；②將金屬液引入直澆道，防止金屬液流對直澆道的直接沖擊，從而避免金屬液流對型腔的沖擊，減少動壓頭，保證金屬液平穩(wěn)流入直澆道；第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.2液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中的流動情況4.2.1液態(tài)金屬在澆口杯中的流動情況1.澆口杯的作用：③具有一定的擋渣作用，能分離渣滓和氣泡，阻止其進入型腔。

只有澆口杯的結構正確，配合恰當的澆注操作，才能實現上述功能。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.流動情況

流動方向存在著隨機性，如流向直澆口、流向澆口杯側壁。

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.渦流現象對于一個渦旋，常常按兩部分進行計算，即渦流核心區(qū)內和渦流核心區(qū)外。設渦流半徑為r0。先討論渦流核心區(qū)外的情形，這一部分為誘導速度區(qū)。設流動為二元流動，用極坐標表示：

vr=0

vθ=Γ/2πr(r>r0)

（4-1）Γ-速度環(huán)流第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

可見，由渦流外部一直到渦流內部，壓力不斷降低。在渦流內部，愈靠近中心，速度愈小，壓力愈低；而在外部，愈靠近中心，速度愈大，壓力愈低。這樣，在渦流中心就形成了負壓，產生了向下的吸力，氣體和熔渣就可能被吸進去，將對鑄件的質量有很大影響。所以要盡量避免在澆口杯中產生水平渦旋。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(2)影響渦流的因素

總的來看，影響渦流的關鍵是水平流速，它愈大，愈易形成水平渦流。

水力模擬試驗表明，影響澆口杯內水平流速的主要因素是澆口杯內液面的深度，其次是澆注高度，澆注方向及澆口杯的結構等。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(3)防止渦流產生的措施1）為了減輕和消除水平旋渦，一要低位澆注，二要迅速充滿?？捎脦部谌臐部诒?圖4-4)

圖4-4不同形式的澆口塞示意圖（a）不正確的結構

（b）和（c）正確的結構第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2）為了有利于熔渣上浮到液面，澆口杯應有一定的高度，并將澆口杯與直澆道相連的邊緣做成凸起狀(圖4-4)以促使?jié)部诒幸毫餍纬纱怪毙郎u。垂直旋渦能干擾水平漩渦，將熔渣和氣泡帶入其中，浮至液體表面，對擋渣和分離沖入的氣泡有利。3）澆口杯的流出口應做成圓角，以避免液流引起沖砂，并有利于消除液流離壁和吸入氣體的現象。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.澆口杯類型(1)按形狀分，有漏斗形和池形兩種澆口杯按結構形狀可分為漏斗形和池形兩大類(圖4-5)。(2)按制作方式分，有專門制作和與鑄型同時制作之分。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.2.2液態(tài)金屬在直澆道中的流動情況1.直澆道的作用：

從澆口杯引導金屬向下進入橫澆道、內澆道或直接引入型腔。提供足夠的壓力頭，使金屬液在重力作用下克服流動阻力，在規(guī)定時間內充滿型腔。2.流動情況：

金屬液在直澆道中流動可分為全截面或非全截面二種情況，前者稱為充滿式直澆道，后者稱為非充滿式直澆道。在充滿式直澆道中，金屬液不會顯著氧化，而非充滿式則相反，容易氧化。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學圖4-6水在有機玻璃模型的直澆道內流動情況a)圓柱形直澆道，入口為尖角，呈非充滿狀態(tài)；b)圓柱形直澆道，入口為圓角，充滿且吸氣；c)上大下小的錐形(1/50)直澆道，入口為尖角，呈非充滿狀態(tài)；d)上大下小的錐形(1/50)直澆道，入口為圓角，充滿且為正壓狀態(tài)第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.直澆道設計

輕合金砂型鑄造中，常用的直澆道結構形式如圖4-7所示。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(1)對于小型件，一般采用圓錐形直澆道

1)可防止在直澆道中產生負壓;2)表面積小，散熱少;3)制作方便,便于取模，錐度為2°～3°，見圖4-7(a)；4)沿程阻力小，流速快，沖擊嚴重，導致氧化卷氣。

有人認為，對較大型鋁合金件也可采用圓錐形直澆道，前提是橫澆道擋渣效果好。但直澆道直徑不應大于20mm。當然對于黑色合金大量采用，因其不易氧化。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(2)對于大中型鋁鎂合金件1)采用片狀直澆道，其特點：①分成多股液流，增加了沿程損失，直澆道底部流速減慢，起到緩流作用；②與鑄型接觸面積大，有掛渣作用（多用于鎂合金）；③制作比較麻煩。2)采用蛇形直澆道，其特點：①靜壓力保持不變的情況下充型，穩(wěn)定壓頭；②彎道增加流動阻力，減緩流速，消除噴濺；③制作麻煩，無法取模，需專門砂芯形成。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(3)直澆道底部緩沖窩

由于金屬液的流速在直澆道底部達到最大值，轉而流向橫澆道，為改善金屬液的流動狀況，一般在直澆道的底部設有澆口窩或緩沖槽。澆口窩的作用有：1)緩沖作用：液流下落的動能有相當大的一部分被窩內液體吸收而轉變?yōu)閴毫δ?，再由壓力能轉化為水平速度流向橫澆道，從而減輕了對直澆道底部鑄型的沖刷。2)縮短直-橫澆道拐彎處的高度紊流區(qū)：澆口窩可減輕液流進入橫澆道的孔口壓縮現象，縮短高速紊流區(qū)(過渡區(qū))。這樣也改善了橫澆道內的壓力分布，見圖4-8。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學圖4-8澆口窩對液流的影響(a)無澆口窩(b)有澆口窩試驗條件：F直下:F橫:F內=1:2.5:2.5第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3)改善內澆道的流量分布：設置澆口窩，有利于內澆道流量分布的均勻化。

例如在ΣF直：ΣF橫：ΣF內=1：2.5：5的試驗條件下，

無澆口窩時，兩相等斷面的內澆道的流量分配為31·5％(近直澆道者)和68.5％(遠者)；

有直澆道窩時，流量分配為40.5％(近者)和59.5％(遠者)。4)減少直-橫澆道拐彎處的局部阻力系數和水頭損失。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.2.3液態(tài)金屬在橫澆道中的流動情況

橫澆道是將金屬液從直澆道引入內澆道的水平通道，是澆注系統(tǒng)的重要單元。1.橫澆道的作用：①將金屬液平穩(wěn)而又均勻地分配給各個內澆道；②擋渣。所以有人將橫澆道稱為撇渣道。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.流動狀況

橫澆道是直澆道與內澆道之間的一個中間澆道、液體金屬在橫澆道中的流動情況與這三個澆道的斷面積之比有較密切的關系。

當直澆道斷面積大于橫澆道斷面積，而橫澆道斷面積又大于內澆道斷面積(即收縮式澆注系統(tǒng))時，從直澆道下落的液流可立即把橫澆道充滿。

相反，對于鋁鎂合金鑄造常用的擴張式澆注系統(tǒng)，橫澆道并不立即被充滿，而是隨著型腔中金屬液面的升高而逐漸地被充滿。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學液態(tài)金屬在橫澆道中流動的主要特征：(1)失去速度頭；(2)改變液流方向，見圖4-10。

在橫澆道未充滿時，V內取決于橫澆道中的液面高度h；

在橫澆道充滿后，V內將取決于從澆口杯中液面起算的壓力頭H的大小(還與型腔中液面的高度有關)。圖4-10擴張式澆注系統(tǒng)中液流在橫澆道中流動情況第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.橫澆道的流量分配作用

各內澆道的流量主要取決于作用于內澆道的金屬液面的高度、橫澆道的長度、內澆道在橫澆道上的位置以及各澆道斷面積之比。

一般條件下遠離直澆道的流量大，近直澆道的流量小。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

流量不均勻現象、還與橫澆道與內澆道斷面積之比有關。

一般情況下，澆道截面擴張程度越大，則流量不均勻現象越明顯。

實驗表明(見圖4-11)，

當澆道比為1:2:4時，從離直澆道較遠的兩個內澆道流出的金屬液約占66%，近處只占34%。

當澆道比為1:2:2，兩流量分別為56%和44%，有所改善。圖4-11內澆道流量分配關系示意圖第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

流量不均勻性與澆道比、內澆道與橫澆道的配置關系、整個澆注系統(tǒng)的結構等因素有關(見圖4-12)。圖4-12澆注系統(tǒng)結構形式對流量不均勻性的影響(a)澆注系統(tǒng)結構形式(1、2、3、4)(b)流量不均勻性(1、2、3、4)第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

內澆道流量不均勻現象對鑄件質量有顯著影響。對大型復雜鑄件和薄壁鑄件易出現澆不足和冷隔缺陷；

在流量大的內澆道附近會引起局部過熱、破壞原來所預計的鑄件凝固次序，使鑄件產生氧化、縮松、縮孔和裂紋等缺陷。

為了克服內澆道流量不均勻帶來的弊病，盡可能將內澆道設置在橫澆道的對稱位置，或設置澆口窩等。

流量分配不均勻性并非所有情況下都是不利的，有時為了改善金屬液充填效果，還要利用它的這一特性。這取決于鑄件沿周長質量分布是否均勻。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.橫澆道的檔渣作用(1)橫澆道的擋渣原理

橫澆道是澆注系統(tǒng)的主要檔渣單元。其擋渣作用與熔渣特性、橫澆道本身結構、各澆道的相互配置關系有關。

在橫澆道中采用重力分離以除渣的原理如圖4-13。圖4-13橫澆道擋渣原理第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

式(4-9)給出了渣團直徑和最大上浮速度的關系。如果金屬液在橫澆道內流動出現紊流，當其自上向下作垂直運動，垂直分速度大小恰好等于V最大，與渣團上浮方向相反，則渣團將在一定水平位置上呈懸浮狀態(tài)，這時金屬液的流速稱為懸浮速度。

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

從圖4-13和式(4-9)分析可知，影響橫澆道擋渣的主要因素有：1)渣團與金屬液的密度差

密度差越大，雜質越易上浮除去。

鑄造合金種類甚多，熔渣特性也有不同，但從其密度來看：

黑色金屬鑄造中熔渣或混入的石英砂等的密度都大大地低于金屬液的密度。

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

熔渣特性不同，擋渣的原理和措施也不同。

對于密度小于金屬液的夾雜物一般采用重力分離的措施，而對于密度大于金屬液的夾雜物，則在澆注系統(tǒng)中采用過濾擋渣的方法(如鎂合金鑄造)。

鋁合金的熔渣密度有大有小，所以在橫澆道設計中需要綜合采用以上兩種擋渣措施。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)渣團直徑d的大小，直徑越大，渣團上浮速度越大，越易除去。3)金屬液在橫澆道中的流動速度V橫，V橫越大，液流在橫澆道中的紊流程度越大，雜質上浮所遇到的干擾越大。當V橫達到一定值時，雜質就浮不上來，而始終懸浮在液流中，此時的V橫臨界速度稱為懸浮速度。4)金屬液的粘度，粘度越大，則渣團上浮越慢，越難去除。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學5.內澆道的“吸動”作用

當橫澆道中的液體金屬達到一定高度時，在內澆道附近的液流除了有一個沿橫澆道向前速度外，還有一個向內澆道流動的速度V內，而V內又會影響到內澆道附近的橫澆道中液流的運動，即將該處的液流“吸入”內澆道；第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學5.內澆道的“吸動”作用

此種現象稱為“吸動”作用?！拔鼊印弊饔每墒箠A雜流入內澆口，進入鑄型，十分有害。這種“吸動”作用的范圍叫做“吸動作用區(qū)”，簡稱“吸動區(qū)”。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

吸動作用區(qū)越大，橫澆道越難擋渣，在生產中常采用較高的橫澆道和較低的內澆道，有利于夾雜脫離吸動作用區(qū)；

也可采用在橫澆道末端開冒渣口或集渣包，使第一股有夾雜的金屬液不進入內澆道，而流入集渣包，有利于提高橫澆道的擋渣作用。還可延長橫澆道長度，減弱金屬液回流作用。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學6.強化橫澆道擋渣作用的工藝措施(1)采用搭接式橫澆道或雙重橫澆道(圖4-15)。增加橫澆道的流動阻力，可降低金屬液在橫澆道的流動速度。圖4-15搭接(a)和雙重(b)橫澆道1-直澆道2-橫澆道3-緩沖槽4-過濾網5-鑄件6-內澆道7-過渡內澆道8-過渡橫澆道9-出氣孔第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(2)采用底注式澆注系統(tǒng)等措施有利于使橫澆道呈充滿狀態(tài)。橫澆道呈充滿狀態(tài)，有利于使渣團上浮到橫澆道頂部而不進入內澆道。

減小澆注系統(tǒng)的擴張程度，有利于橫澆道呈充滿狀態(tài)。(3)內澆道的位置關系要正確。

內澆道距直澆道應有一定距離，使渣團能浮上橫澆道頂部而不進入內澆道。

內澆道不能設于橫澆道末端，即橫澆道末端應有一定的距離，以容納最初進入橫澆道的低溫、含氣及有夾雜的金屬液，為防止聚集在橫澆道末端的夾雜回游，還可在末端設置集渣包。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(4)在橫澆道上設置過濾單元以濾除渣團，如圖4-15(a)所示。①過濾網過濾

鋁、鎂合金鑄造生產中常使用耐熱纖維織成的過濾網布，(網眼尺寸為1.8×1.8mm或2×2mm)，用數層疊放在橫澆道的搭接面上。

圖4-16過濾網作用示意圖第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

過濾網的放置對檔渣效果影響很大，一般過濾網有如圖4-17所示的幾種放置位置。圖4-17過濾網安放位置第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學②過濾片過濾

過濾網僅能濾除大于網眼尺寸的雜質，而對于大量存在于金屬液中的小于網眼尺寸的雜質則無能為力。有資料介紹，采用泡沫陶瓷過濾的方法對濾除非金屬夾雜物效果很好，當采用細孔泡沫陶瓷時，甚至可以濾除1μm的夾雜物。過濾片孔隙尺寸越小，厚度越大，過濾壓力越小，效果就越明顯。

經過濾后的合金力學性能大大提高，對Al-4.5％Cu合金進行試驗證明，使用不同的過濾片時，拉伸強度可提高14.1～17.2％，屈服強度可提高4.2～13.5％，延伸率可提高32.4～104.0％。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學圖4-18泡沫陶瓷過濾片安放位置

泡沫陶瓷過濾片適用于多種鑄造方法，如砂型鑄造、金屬型鑄造和低壓鑄造等。過濾片可安放在澆注系統(tǒng)中的各個部位。圖4-18是過濾片在澆注系統(tǒng)中通常放置的兩種方式。

金屬液流經過濾片時，增加了局部阻力。為了保證一定的充型速度，應將放置過濾片處能截面積擴大4～13倍或增加直澆道的高度以提高靜壓頭。在澆注直澆道已很高的大型鑄件時，可不必再提高靜壓頭高度。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(5)在橫澆道上設置集渣槽圖4-19帶集渣槽的澆注系統(tǒng)1-直澆道2-集渣槽3-橫澆道4-內澆道第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學7.橫澆道設計（1）橫澆道的斷面形狀

可有圓形、半圓形、梯形等多種形式。

以圓形的熱損失最小和流動最平穩(wěn)，但造型工藝較復雜。

為了使直澆道與橫澆道和內澆道連接方便和造型工藝簡單，一般都采用高度大于寬度(高度／寬度=1.2～1.5)的梯形斷面的橫澆道。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）與內澆道連接

內澆道和橫澆道的相對位置設置的是否正確，對澆注系統(tǒng)的穩(wěn)流和擋渣作用影響極大，確定時應考慮以下幾點：①在長度方向上：第一個內澆道不要離直澆道太近，最后一個內澆道距橫澆道末端要有一定距離。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學②高度方向上：內澆道一般應置于橫澆道的中部(中置式)，其底面與橫澆道的底面相平，如圖4-20(a)所示。

有人建議，對擴張式澆注系統(tǒng)，為了使開始澆注時金屬液中的雜質能流到橫澆道的末端而不立即進入內澆道，內澆道的底面應比橫澆道高出4～6mm(圖4-20(b))，但這種設置造型工藝較麻煩。中置式是目前應用得最多的。圖4-20內澆道與橫澆道連接第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

對鎂合金鑄造采用擴張式澆注系統(tǒng)時，采用上置式比較好，即如圖4-21所示，把內澆道設置在橫澆道上部，這樣橫澆道中可以擋住密度大于金屬液的雜質，橫澆道易于充滿，在輕合金金屬型鑄造中，這種形式應用較多。圖4-21內澆道置于橫澆道上部的情況1-內澆道2-橫澆道第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學③連接：橫澆道與內澆道不能呈尖角連接，要圓弧過渡，否則形成低壓區(qū)，造成吸氣。而且連接時內澆道一般不順著橫澆道液流方向，常用垂直于橫澆道或逆著橫澆道流向。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.2.4液態(tài)金屬在內澆道中的流動情況1.作用：內澆道是澆注系統(tǒng)中把液體金屬引入型腔的最后一個單元。

其作用是控制充型速度和方向，分配液態(tài)金屬，調節(jié)鑄件各部位的溫度分布和凝固次序，并對鑄件有一定的補縮作用。

就單個內澆道只能具有引入金屬液的作用，只有多個內澆道組合起來才有多種作用。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.斷面形狀及尺寸（1）內澆道的斷面形狀

見右圖，多為扁矩形；第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）斷面的寬厚比：內澆道寬度和厚度的比例應按鑄件壁厚和所要求的凝固形式而定，

如果內澆道設置在鑄件先凝固的部位，其寬度與厚度之比應選大些(對鋁、鎂合金此比例應大于6，以避免由于熱量過分集中造成縮松)；

若內澆道設置在鑄件的后凝固處，則其寬厚比宜選小些(對鋁鎂合金此比例應小于4)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（3）內澆道的厚度：一般為金屬液引入處鑄件壁厚的50％～100％。

對某些鑄件的局部厚大部分需要內澆道進行補縮時，則內澆道的厚度、斷面形狀和寬厚比不受上述的限制、應按連接處的鑄件形狀和壁厚等具體情況來選定。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.3澆注系統(tǒng)的類型及應用范圍

澆注系統(tǒng)類型的選擇對鑄件質量的影響很大；

澆注系統(tǒng)類型的選擇是正確設計澆注系統(tǒng)必須解決的重要問題之一；

選擇何種澆注系統(tǒng)類型與鑄件的合金成分、結構、大小、技術要求和生產條件等因素有關。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.3.1按金屬液引入鑄件型腔的位置分類1.頂注式(又稱上注式)澆注系統(tǒng)

以澆注位置為準，金屬液從鑄件型腔頂部引入的澆注系統(tǒng)稱為頂注式澆注系統(tǒng)。圖4-22頂注式澆注系統(tǒng)沿高度溫度分布第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（1）頂注式(又稱上注式)澆注系統(tǒng)的特點

圖4-22頂注式澆注系統(tǒng)沿高度溫度分布1)液態(tài)金屬從鑄型型腔頂部引入，鑄件上部的溫度高于下部(如圖4-22)，有利于鑄件自下而上順序凝固，能夠有效地發(fā)揮頂部冒口的補縮作用。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)在液態(tài)金屬的整個充型階段始終有一個不變壓頭，液流流量大，充型時間短，充型能力強。3)造型工藝簡單，模具制造方便，澆注系統(tǒng)和冒口消耗金屬少，澆注系統(tǒng)切割清理容易。

頂注式澆注系統(tǒng)最大的缺點是液體金屬進入型腔后，從高處落下，對鑄型沖擊大，容易導致液態(tài)金屬的飛濺、氧化和卷入氣體，形成氧化夾渣和氣孔缺陷。另外，其排氣、擋渣效果也差。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）形式：1)簡單式：對一些結構簡單、壁厚均勻的小型鑄件在采用金屬型鑄造時，為了開型方便和簡化模具制作，常使用簡單的頂注式澆注系統(tǒng)(圖4-23)。液態(tài)金屬直接從既是冒口又是直澆道的鑄件頂部引入。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)完整式：用砂型生產小型鋁合金和鎂合金鑄件時，有時也采用比較完善的頂注式澆注系統(tǒng)（圖4-24）。4-24完整的頂注式澆注系統(tǒng)1-冒口2-直澆道3-橫澆道4-內澆道第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3)壓邊澆口：壓邊澆口(圖4-25)也屬于頂注式澆注系統(tǒng)的一種形式。它的特點是澆口以一條窄長的縫隙與鑄件頂部連接。①澆注時澆口能迅速地被充滿并保持一定的液面高度，有利于熔渣上??；②金屬液通過壓邊縫隙順壁充型，水力學半徑小，液流對鑄型沖擊力也小；圖4-25壓邊澆口1-鑄件2-壓邊澆口第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學③鑄件可以自下而上的順序凝固，而且通過窄長澆注口澆注，延長了澆注時間，邊澆注邊補縮，提高了補縮效率。

但縫隙處容易過熱，造成局部縮松。

這種澆口結構簡單，便于鑄件清理，主要應用于中小件，特別是厚實的和形狀簡單的鑄件。對于航空輕合金鑄件不宜采用。圖4-25壓邊澆口1-鑄件2-壓邊澆口第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4)雨淋式澆注系統(tǒng)：

金屬液由頂部分散的多個圓形通道，雨淋式的落入型腔。

由于液流分散，對鑄型的沖擊減緩了很多，

但暴露的表面積也大，易加劇金屬液氧化，在輕合金鑄造中不宜采用，鑄鐵件生產中常使用雨淋式澆注系統(tǒng)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.底注式(下注式)澆注系統(tǒng)

內澆道位于鑄件底部，金屬液從型腔下部流入型腔的澆注系統(tǒng)稱為底注式澆注系統(tǒng)。（1）特點底注式澆注系統(tǒng)優(yōu)點有：1)金屬液從下部充填型腔，流動平穩(wěn)，不易產生沖擊、飛濺、氧化和卷入氣體；2)便于排除型腔中的氣體，鑄型中浮渣效果也好。3)無論澆道比多么大，橫澆道基本工作在充滿狀態(tài)，有利于擋渣。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學這種澆注系統(tǒng)的缺點是：1)充型后鑄件的溫度分布不利于自下而上的順序凝固，削弱了頂部冒口的補縮作用(圖4-26)。圖4-26底注式澆注系統(tǒng)沿高度溫度分布第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)鑄件底部尤其是內澆道附近容易過熱，使鑄件產生縮松、縮孔、晶粒粗大等缺陷。3)充型能力較差，對大型薄壁鑄件容易產生冷隔和澆不足的缺陷。4)造型工藝復雜，金屬消耗量大。5)難以保證垂直放置的大薄平面鑄件的充填性。

高厚比H件/δ件<50方可（H件不包括冒口高度），否則，采用縫隙式復合式澆注系統(tǒng)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）形式1)一般都具有比較完整的形式，具備各個單元。2)牛角式：屬于底注式澆注系統(tǒng)的一種(圖4-27)。此種澆注系統(tǒng)液流充型過程平穩(wěn)，但造型工藝復雜，只有在鑄造中小型質量要求較高的鑄件，用一般的底注式難以解決時，才考慮使用。一般分為二種形式：圖4-27牛角式澆注系統(tǒng)的兩種形式第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學注意：①采用牛角式輔助澆道時，為提高擋渣效果，最好同時選用過濾網和雙重橫澆道；②為防止液態(tài)金屬進入型腔時產生噴射現象，牛角澆道的出口處不應收縮得太細太薄，有時也可設計成斷面朝型腔方向逐漸擴大的形式(此時，牛角式澆道模樣可在取模后從型腔中取出)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.中注式澆注系統(tǒng)

這種澆注系統(tǒng)的液態(tài)金屬引入位置介于頂注式和底注式之間(圖4-28)，對于分型面以下是頂注式，對于分型面以上則是底注式。圖4-28中間注入式澆注系統(tǒng)第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

其優(yōu)、缺點也介于頂注與底注之間。它普遍應用于高度不大、水平尺寸較大的中小型鑄件，在鑄件質量要求較高時，仍應控制金屬液的下落高度(即下半型腔的深度)。圖4-28中間注入式澆注系統(tǒng)第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.階梯式澆注系統(tǒng)

在鑄件不同高度上開設多層內澆道的稱為階梯式澆注系統(tǒng)(見圖)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（1）階梯式澆注系統(tǒng)的特點1)結構設計合理的階梯式澆注系統(tǒng)應有以下優(yōu)點：①金屬液自下而上充型，充型平穩(wěn)，型腔內氣體排出順利；②充型后上部金屬液溫度高于下部，有利于順序凝固和冒口的補縮，鑄件組織致密；③充型能力強，易避免冷隔和澆不到等鑄造缺陷；④利用多內澆道，可減輕內澆道附近的局部過熱現象。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)階梯式澆注系統(tǒng)的主要缺點是：①造型復雜，有時要求幾個分型面，清理也不方便；②需正確計算和結構設計，否則容易出現上下各層內澆道同時進入金屬液的“亂澆”現象，③底層進入金屬液過多，形成下部溫度高的不理想的溫度分布。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）階梯式澆注系統(tǒng)的改進為了達到分層引入金屬液的目的，可采用多種辦法進行改進（如圖4-29）。圖4-29階梯式澆注系統(tǒng)a)多直澆道b)用塞球控制c)控制各組元比例d)帶緩沖直澆道e)帶反直澆道第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

金屬液由下而上沿著整個鑄件高度開設的垂直縫隙狀內澆道，平穩(wěn)地進入型腔，這種澆注系統(tǒng)稱為垂直縫隙式澆注系統(tǒng)(圖4-30)，簡稱縫隙式澆注系統(tǒng)。圖4-30縫隙式澆注系統(tǒng)沿高度溫度分布1-鑄件2-立縫3-立筒4-直澆道5.垂直縫隙式澆注系統(tǒng)第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（1）縫隙式澆注系統(tǒng)的特點：縫隙式澆注系統(tǒng)的優(yōu)點：1)液流充型過程十分平穩(wěn)。由于縫隙的水力學阻力較大，只有當立筒中金屬液上升到一定高度，金屬液才能克服阻力通過縫隙流入型腔，型腔液面才上升。因此型腔內液面上升始終滯后于立筒的液面上升。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)溫度分布有利于順序凝固。在理想情況下，剛進入立筒的金屬液比立筒中原有的金屬液溫度高，而立筒截面積較大，按照對流規(guī)律，溫度較高的金屬液有上升的趨勢，使得立筒上部金屬液總保持較高溫度。由縫隙進入型腔的金屬液每增加一層，其溫度都比下一層高，從而建立了類似頂注式的溫度分布，有利于鑄件自下而上的順序凝固，有利于上部冒口的補縮。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3)借助相當于橫澆道的立筒，不僅不會產生新的氧化夾渣，而且還有利于熔渣上浮于立筒和鑄件頂部的冒口中。

縫隙式澆注系統(tǒng)的缺點是容易在縫隙處產生局部過熱，導致鑄件縮松；消耗液體金屬多，工藝出品率低，澆道的清理切割既麻煩又費工。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）適用范圍：

縫隙式澆注系統(tǒng)廣泛應用于輕合金澆注系統(tǒng)中，尤其對于縮松傾向較大的鎂合金鑄件來說，它是常用的澆注系統(tǒng)類型之一。

對于高大圓筒狀鑄件(h件/δ件>50)，既要求縱向上的順序凝固、又要求橫向上有一定補縮作用，則縫隙式是最合適的澆注系統(tǒng)。但由于切割困難、在鑄鋼件、鑄鐵件生產中較少應用。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學6.復合式澆注系統(tǒng)

如圖4-31所示的澆注系統(tǒng)就是既有底注式又有縫隙式的復合式澆注系統(tǒng)。圖4-31復合式澆注系統(tǒng)1-澆口杯2-直澆道3-橫澆道4-鑄件5-內澆道

6-出氣孔7-立縫8-立筒9-冒口

復合式澆注系統(tǒng)的結構形式很多，階梯式就是復合式澆注系統(tǒng)的一種，而中注式是最簡單的復合式澆注系統(tǒng)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

在設計復合式澆注系統(tǒng)時，根據鑄件的結構特點，設計出相應部分所應采用的澆注系統(tǒng)，然后加以復合。

可以在一組澆注系統(tǒng)內設計幾種類型，也可分開設計幾組澆道；每一組澆道可以從鑄件的同一高度進入型腔、也可以從不同高度進入型腔。

當分開設計幾組澆道或從不同高度進入鑄型時，每一組澆道的截面積、澆包的容量、澆口杯的容量以及澆注的先后次序都應進行詳細地計算，避免金屬液在鑄型中產生對流、渦流或銜接不上的情況。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.3.2按澆注系統(tǒng)各單元截面積的比例分類

澆注系統(tǒng)按直澆道、橫澆道及內澆道截面積的比例(簡稱澆道比)關系，可分為收縮式、擴張式和半擴張式三種。1.收縮式澆注系統(tǒng)

直澆道、橫澆道和內澆道的斷面積依次縮小(即ΣF直>ΣF橫>ΣF內)的澆注系統(tǒng)稱為收縮式澆注系統(tǒng)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學特點：

由于內澆道截面積最小，在澆注初期，澆注系統(tǒng)就能被迅速充滿，為充滿式澆注系統(tǒng)。1)充填性能好；2)充滿式澆注系統(tǒng)有利于橫澆道浮渣、擋渣；3)液態(tài)金屬在這種澆注系統(tǒng)中流動時，由于澆道截面積越來越小，流動速度越來越大，從內澆道進入型腔的液流，流動速度很大，對型壁產生沖擊，易引起噴濺和劇烈氧化；第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學特點：4)這種澆注系統(tǒng)所占體積較小，減少了合金的消耗。易于切割。

這種澆注系統(tǒng)主要用于不易氧化的鑄鐵件。鋁、鎂合金易于氧化，要求液流進入型腔時流動平穩(wěn)，所以收縮式澆注系統(tǒng)應用很少。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.擴張式澆注系統(tǒng)

直澆道、橫澆道和內澆道截面積依次擴大(即ΣF直<ΣF橫<ΣF內)的澆注系統(tǒng)稱為擴張式澆注系統(tǒng)。特點：

擴張式澆注系統(tǒng)的特點和收縮式恰恰相反，由于流動截面積越來越大，故流速越來越慢。1)金屬液在橫澆道和內澆道中流速較慢，在進入型腔時流動平穩(wěn)，可減少沖擊氧化。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)橫澆道在充填初期不易充滿，在開始階段，當橫澆道液面低于內澆道頂面時，浮渣作用較差；澆注一段時間后，由于橫澆道逐漸充滿，其擋渣、浮渣效果逐漸好起來。初期可通過放過濾網等方法予以彌補。3)這種澆注系統(tǒng)所占體積較大，耗費金屬多。

易氧化的鋁合金和鎂合金要求液流平穩(wěn)，大、中型鑄件一般都采用擴張式澆注系統(tǒng)(見表4-3)。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.半擴張式澆注系統(tǒng)ΣF直<ΣF橫>ΣF內，而且ΣF內>ΣF直的澆注系統(tǒng)叫半擴張式澆注系統(tǒng)。特點：

這種澆注系統(tǒng)直澆道一般很快充滿，而橫澆道面積最大，充滿較慢，有效地減緩流速，其特點介于擴張式與收縮式之間。1)液流比較平穩(wěn)；2)充型能力和擋渣能力比較好；

適合于一般小型、結構簡單的鋁合金、鎂合金鑄件。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

以上是從兩個不同角度對澆注系統(tǒng)進行了分類，看似二者關系不大，實際上，上述三種澆注系統(tǒng)的特點和其組成單元的結構形式和金屬液的引入位置有密切關系。

如：增加澆注系統(tǒng)中的水力學阻力和采用底注式時，可以改善收縮式澆注系統(tǒng)的流動不平穩(wěn)狀況；第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

在澆注系統(tǒng)設計中，澆道比對鑄件質量有較大的影響，正確選擇澆道比也是澆注系統(tǒng)設計中一個重要內容。

在生產實踐中，對澆道比的選擇已積累了不少經驗，也有不少專著文獻，但由于鑄件結構、生產工藝等具體條件不同，很難歸納出一個行之有效，簡單易行的確定方法。

表4-3推薦了鋁合金、鎂合金砂型鑄造常用的澆道比，可供選擇時參考。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.4液體金屬引入位置的選擇4.4.1概述

金屬液必須通過澆注系統(tǒng)引入鑄型，而澆注系統(tǒng)多數都是具有完整四單元的，即金屬液多數都是通過內澆道進入鑄型的。所以，關于選擇液體金屬引入位置的問題，實質上就是怎樣正確地選擇內澆道的位置。內澆道開設的位置是否正確，直接關系到澆注系統(tǒng)的作用能否充分發(fā)揮。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.4.2選擇金屬液引入位置的原則1.充分考慮滿足鑄件凝固原則的需要

主要考慮凝固順序的問題。(1)凝固原則：①順序凝固：采取各種措施保證鑄件結構各部分，按照遠離冒口的薄壁處和下部最先凝固，然后是厚處或上部凝固，最后才是冒口本身凝固的次序進行，即使鑄件從遠離冒口或澆口的部分到冒口或澆口之間建立一個遞增的溫度梯度。優(yōu)點：冒口補縮作用好，可以防止縮孔和縮松，鑄件致密。缺點：由于鑄件各部分有溫差，在凝固期間容易產生熱裂，凝固后也容易使鑄件產生應力和變形。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學②同時凝固：是采取工藝措施保證鑄件結構上各部分之間沒有溫差或溫差盡量小，使各部分同時凝固。在同時凝固條件下，擴張角等于零，沒有補縮通道。采用同時凝固原則的優(yōu)點是，凝固時期鑄件不容易產生熱裂，凝固后也不易引起應力、變形。缺點是鑄件中心區(qū)域往往有縮松，鑄件不致密。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

在選擇引入位置時，考慮這種熱作用的因素，往往要比考慮流體動力學規(guī)律對鑄件質量的影響更為復雜和重要。

當澆注系統(tǒng)類型確定后，在鑄件(澆注位置)高度方向上的引入位置已基本被限定，實際上就是決定金屬液從鑄件水平方向的什么位置引入的問題。（2）引入位置的選擇第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學①如果鑄件高度不大而水平尺寸較大時，引入位置一般應保證鑄件橫向的順序凝固，使金屬液從鑄件的厚處均勻地引入，使得薄處先凝固，厚處后凝固。有時為了補縮厚處，會加側冒口，此時，最好通過冒口引入金屬液，可充分發(fā)揮側冒口的補縮作用。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學②如果鑄件壁厚不大而又均勻時，為了保證鑄件整體的同時凝固和避免澆不足，金屬液應在鑄件四周開設較多的內澆道，均勻地引入金屬液。再把每個內澆道所能澆注到的區(qū)域進行劃分，在鑄件各區(qū)域的最后凝固處設置冒口，以便補縮。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學③如果鑄件具有一定高度或高度較大時，引入位置應首先保證鑄件由下而上的縱向順序凝固，最后由頂部冒口進行補縮。此時，任何減小鑄件縱向溫度梯度的傾向，對鑄件的縱向順序凝固和冒口的補縮都是不利的。

所以引入位置應盡可能使鑄件水平方向的溫度分布均勻（有利于同時凝固），通常把內澆道均勻地設置在鑄件的薄壁處，而在厚壁部分加置冷鐵。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學④若鑄件水平方向的壁厚相差懸殊，特別當厚壁部分的補縮通道被其相鄰的薄壁部分切斷時，在局部厚大處可采取冷鐵和冒口聯(lián)用的措施；

若厚大部分也是均勻分布時(如安裝邊凸臺)，則金屬液應通過側冒口從厚處均勻地引入。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學⑤在不破壞鑄件凝固順序的前提下，內澆道數應盡量多些，并分散均勻布置，以避免引入位置附近的鑄件和鑄型產生不必要的局部過熱。這對采用底注式澆注系統(tǒng)的大、中型鑄件(特別是鎂合金鑄件)尤為重要。

但內澆道數多會帶來造型、鑄件清理的困難。另外，由于ΣF內一定，內澆道數多，則使單個內澆道截面積減小，可能導致流動阻力加大。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.最大限度滿足液態(tài)金屬合理充填鑄型

在確定引入位置時，除了要考慮鑄件的凝固順序這個重要問題外，還必須注意金屬液合理充填的問題：圖4-32金屬液進入型腔的情況(a)垂直型壁方向；(b)沿型壁方向1)內澆道開設應避免正對著沖擊細小砂芯和型壁(包括砂型、砂芯和薄弱的凸出部分)，如果正對著沖擊，就會造成飛濺、渦流、卷入氣體和沖壞型壁(如圖4-32(a)所示)，使鑄件產生氧化夾雜、氣孔、夾砂以及縮松等缺陷，所以引入位置應選擇在沿型壁的方向(如圖中(b)所示)比較好。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

金屬液從內澆道流出的速度快時，附近的型腔形狀對液流的運動狀態(tài)也有很大影響。

如圖4-33(a)所示A處造成氧化皮皺紋缺陷，后將內澆道改成圖中(b)的形式，導管處氧化夾雜基本被消除。圖4-33壓縮機匣導管處澆道設置第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2)確定引入位置時，應仔細分析整個澆注過程中金屬液在型腔中的流動情況，避免發(fā)生溢流（圖4-34(a)）、噴射（圖4-34(b)）和一股液流分散成數股等現象，必要時應改變引入位置或在型芯中增設輔助通道，這對防止氧化夾雜和冷隔缺陷有很大作用。圖4-34金屬液在型腔中的溢流和噴射(a)溢流(b)噴射第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3)對于大型復雜的薄壁鑄件（如板類、蓋類）的澆不足問題，應引起足夠的重視。4)當內澆道不得已開在斜面上時，盡可能使內澆道流出的金屬液流向朝著下降的方向，而不朝著上升的方向流動。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.從鑄造工藝角度考慮液態(tài)金屬的引入位置的確定1)內澆道一般不希望開在鑄件的重要部位，因為大量金屬液流過內澆道，會將這部分鑄型過熱，造成結晶晶粒粗大，可能還會發(fā)生縮松。2)內澆道不能開設在鑄件機械加工初基準面上，以避免因澆道切割殘留量而影響鑄件的夾持和定位，降低加工精度。3)內澆道最好不要開在鑄件的凹面上，以免影響鑄件澆冒口的切割和打磨清整等，故內澆道最好開設在鑄件平面或凸出部位上。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5澆注系統(tǒng)的截面尺寸計算

在澆注系統(tǒng)的類型和引入位置確定以后，就可進一步確定澆注系統(tǒng)各基本單元的尺寸和結構。目前大都采用水力學近似公式或經驗公式計算出澆注系統(tǒng)的最小截面積，再根據鑄件的結構特點、幾何形狀等確定澆道比，確定各單元的尺寸和結構。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5澆注系統(tǒng)的截面尺寸計算

金屬液進入型腔的速度和流量對鑄件質量影響很大，而控制金屬液流速的最小截面積又決定著充型速度。

所以確定澆注系統(tǒng)各單元截面積，首先應計算澆注系統(tǒng)的最小截面積Fmin，然后再按澆道比確定其他單元的截面積。

目前常用的方法有以下幾種。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5.1按流體力學近似計算-奧贊公式

以流體力學為基礎的計算方法，把金屬液視作普通流體，而澆注系統(tǒng)是液體流動的通道。

這是用流體力學原理計算澆注系統(tǒng)最小截面積的基礎。

對于擴張式澆注系統(tǒng)，其最小斷面積就是直澆道底部。而對于收縮式澆注系統(tǒng)，其最小斷面積在內澆道。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5.1按流體力學近似計算-奧贊公式圖4-35澆注系統(tǒng)計算原理圖

如圖4-35為以內澆道為最小截面積的澆注系統(tǒng)計算原理圖。澆注系統(tǒng)為中注式，一個內澆道。金屬液充填可看作二部分。充填內澆道以下型腔，這時作用于流體的壓頭固定不變；充填內澆道以上的型腔，作用于流體的壓頭是變化的。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

圖4-35澆注系統(tǒng)計算原理圖第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

Σh損-金屬液流經澆注系統(tǒng)時克服各種阻力的壓頭損失總和（其中包括金屬液與澆道型壁的摩擦損失、轉彎變向局部損失、澆道斷面變化導致的損失等）；圖4-35澆注系統(tǒng)計算原理圖

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)

第4章澆注系統(tǒng)

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學1.流量系數μ值的確定

μ是金屬液在充填澆注系統(tǒng)和鑄件型腔的過程中，由于遇到各種摩擦阻力、水力學局部阻力和金屬液與鑄型的熱作用、物理化學作用等的影響，引起實際液流速度下降，流量消耗的一個修正系數。

影響μ值的因素很多，難以用數學計算方法確定，阻力系數ξ很難確定，流體力學參考數據不多，常用經驗法解決：--μ的物理意義第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

對于航空鋁、鎂合金鑄件所用的擴張式澆注系統(tǒng)，其μ值可在0.3～0.7之間選取。實際鑄造時可根據鑄件合金種類、澆注溫度和鑄件結構選擇。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學對于鋁合金鑄件：

簡單件

μ值：0.55~0.70

中等復雜件

μ值：0.45~0.55

復雜件

μ值：0.30~0.45對于鎂合金鑄件

μ值：0.45~0.50第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

鎂合金由于特別易于氧化，所生成的氧化膜粘附在澆道壁上，縮小了澆注系統(tǒng)的實際截面積，使實際流量大大減少，所以其流量系數μ值比鋁合金要小很多。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.澆注時間τ值的確定

確定澆注時間是為了使金屬液在預定的時間內充滿型腔，獲得高工藝出品率。澆注時間對鑄件質量影響很大，尤其對大、中型鋁、鎂合金鑄件質量的影響，更為明顯。

澆注時間過短，則流速太快，金屬液在型腔中流動不平穩(wěn)，易造成渦流，卷入氣體，產生氧化夾渣；另外，型腔中的氣體需要一定的時間才能逸出。還要注意避免剛澆注完畢產生大的動壓力導致脹箱和抬箱。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

航空輕合金鑄造生產中為保證充滿鑄型和流動平穩(wěn)、有關資料介紹了鑄型中液面的最小上升速度，可作為選擇V均時的參考數據。

對于輕合金，既要求充型平穩(wěn)，又要避免澆不足和冷隔，尤其是薄壁復雜件，常采用底注式、擴張式澆注系統(tǒng)。以型腔中最小允許上升速度代替V均似乎更安全合理。表4-8第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.計算靜壓頭和剩余靜壓頭HM的確定(1)H均的確定：一般按照澆注系統(tǒng)直澆道壓頭所做功來導出，見圖4-36。圖4-36平均靜壓頭和剩余壓頭計算

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

圖4-36平均靜壓頭和剩余壓頭計算第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

圖4-36平均靜壓頭和剩余壓頭計算第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

應指出：在伯努利方程應用的過程中，只考慮了靜壓頭，忽略了從澆包嘴至澆口杯之間的金屬液下落動能的影響。這部分動能的影響有時相當大，特別是澆注高度大，而又采用漏斗形澆口杯的條件下，下落動能的一部分，作為流股進入澆口杯液面的阻力損失而轉換為熱能，而另外一部分動能則作為充型的動力，增大了充型流量。最終會使計算結果和實測結果有出入。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學(2)靜壓頭及剩余壓頭的確定①靜壓頭：包括直澆道高度與澆口杯中金屬液面高度之和。有明冒口時，根據頂冒口、鑄件高度確定。否則，需要根據吃砂量定，而后進行調整。還有其他因素應予考慮，如鑄件壁厚、尺寸特點、流動阻力等。圖4-36平均靜壓頭和剩余壓頭計算第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學②確定液體靜壓頭時，應保證鑄件上部輪廓清晰，防止產生冷隔和澆不到缺陷，其計算方法如下：H0=HM+P(4-29)式中：HM-液體金屬的剩余靜壓頭(cm)；P-鑄件分型面以上高度(cm)?；蛏习胄透叨葓D4-36平均靜壓頭和剩余壓頭計算第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

剩余靜壓頭(HM)是保證充滿上部型腔的一個參數，可用下式計算：HM=LM·tgα式中：LM-直澆道中心至鑄件最遠點或最高點的距離(如圖4-38所示)(cm)；α-壓力角，隨鑄件壁厚的增加而減小，一般α=8～12?。圖4-38確定LM值的方法例圖

通常情況下，鑄型工藝方案確定后，直澆道的高度、位置已定，HM和LM均為已知，通過上式可算出實際的壓力角α，以校核直澆道的高度(或剩余靜壓頭HM)是否足夠大。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

在確定了μ、τ及H均之后，就可用公式(4-23)求出澆注系統(tǒng)的最小截面積(如計算收縮式澆注系統(tǒng)，最小斷面積應是內澆道出口處的斷面積)，再按已選定的澆注系統(tǒng)各單元斷面積之比以及各單元的結構形式即可初步確定澆注系統(tǒng)的具體尺寸。

由于在最初計算時預定的G、τ的數值是估算值，并且各單元斷面積的實際比例與選定的也有出入，所以計算結果還需經過驗算和調整。4.澆道比的確定

鋁、鎂合金鑄件澆道比可按表4-3確定，對于黑色合金及青銅件可以查找有關手冊。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5.2反推法確定澆注系統(tǒng)截面尺寸

內澆道的位置、數量、斷面形狀和大小對鑄件質量影響很大，采用上述計算方法，有時不能滿足實際生產的要求。因為僅從金屬液流的運動規(guī)律來考慮內澆道的數量及其斷面積的大小是不充分的，尤其是輕合金在采用底注式澆注系統(tǒng)時，內澆道的數量常取決于鑄件的水平外廓尺寸，而每一個內澆道的斷面又與其相連接處的鑄件結構有關。

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

因此在生產實踐的基礎上，成功地總結出利用“反推法”來確定澆注系統(tǒng)各單元的尺寸。

所謂“反推法”，就是根據鑄件的具體生產工藝、首先確定內澆道的數量及其斷面積的大小，然后根據內澆道的總斷面積和已選定的澆道比，再確定其它單元的尺寸和結構，其具體步驟如下：1)根據鑄件結構特點，選擇澆注系統(tǒng)的類型和結構形式。2)根據合金種類、金屬液引入位置附近的鑄件結構特點和生產工藝等具體情況，憑經驗確定內澆道的數量和總斷面積。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3)根據與內澆道相連接的鑄件壁厚，選擇內澆道的厚度、寬度和長度。4)根據鑄件特點選擇澆道比，確定橫澆道直澆道等各單元的尺寸。圖4-39澆注系統(tǒng)實例1、2-砂芯3-鑄件4-內澆道

5-橫澆道6-直澆道

如圖4-39所示，根據鑄件的特點，只能開設一個60ｘ5mm的內澆道，其截面積為3cm2。如果只是簡單套用F直：F橫：F內=1:2:4這種鋁合金常用擴張式澆注系統(tǒng)的澆道比，橫澆道截面積只有1.5cm2，直澆道截面積僅為0.75cm2（若為圓形直澆道，其直徑只有約9.8mm）。實踐證明，這樣的直澆道截面積過小，澆注時間過長，產生澆不足缺陷。后將澆道比改為1:2:1，就生產出合格鑄件。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

在試制減速機匣時（合金為ZM5），為了使內澆道能有一定的補縮作用，將扁平內澆道改為95ｘ50的厚大截面，并增大直澆道截面，確定澆道比為1:3.6:6.4。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5.3縫隙式澆注系統(tǒng)的設計

縫隙式澆注系統(tǒng)的常見的結構形式如圖4-40所示，這種澆注系統(tǒng)的作用和效果主要取決于立縫和立筒的結構形式及尺寸大小，它的設計方法與一般的澆注系統(tǒng)不同，如果把立縫和立筒視為一般的內澆道和集渣道來依次進行計算的話，不僅達不到預期目的，甚至會出現相反的結果。

縫隙式澆注系統(tǒng)的設計步驟和方法大致如下。圖4-40縫隙式澆注系統(tǒng)示意圖1-冒口2-立縫3-立筒4-鑄件5-內澆道第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（1）立縫數量：確定立縫的數量，首先應保證其充型性能和對鑄件有充分的補縮作用。如果立縫數量不足，則在立縫補縮不到的部位將因組織不致密而使機械性能降低，甚至因產生縮松而使鑄件報廢。

試驗證明，在立縫兩側各100mm范圍內，鑄件的力學性能最高，隨著與立縫距離的增大。力學性能逐漸降低。

1.立縫數量和位置的確定第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學（2）立縫位置：立縫應盡可能均勻地分布在鑄件外廓上。為了保證鑄件橫向朝著立縫、立筒，縱向朝著頂部冒口的方向順序凝固，立縫應設置在鑄件的厚壁部位。在鑄件的復雜型面（如凸臺、臺階或法蘭等曲面）上，最好不要設置立縫，以簡化立縫切割和鑄件清整工作。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學2.立縫和立筒尺寸的確定

立縫的厚度對縫隙式澆注系統(tǒng)的效果具有直接的影響。

立縫過薄，導致大部分金屬液因流動阻力加大而從底部進入型腔，破壞鑄件自下而上的凝固順序，削弱頂部冒口和立筒的補縮作用。得到和底注式澆注系統(tǒng)相似的結果；

立縫過厚，又會使鑄件在立縫附近產生裂紋。

立縫厚度一般取連接處鑄件厚度的80～150％。航空產品鎂鑄件、有時立縫厚度可達鑄件壁厚的200～300％。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

立縫的寬度一般應控制在15～35mm范圍內。立縫寬度小些有利于補縮，但過小又會使斷面較大的立筒過于靠近鑄件，引起局部過熱，使立縫對著的鑄件壁上產生連續(xù)或不連續(xù)的縱向裂紋。

立筒主要起調節(jié)溫度、補縮鑄件的作用，為了充分發(fā)揮其補縮作用，同時也能浮渣擋渣，應有足夠的尺寸。立筒的直徑根據立縫的大小來取，一般為立縫厚度的4～6倍。

立縫與立筒的連接處也應倒成圓弧(如圖4-41r2)。

立縫和立筒的高度通常與型腔的高度相等，即立縫和立筒都是自下而上地與型腔相連接。第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學3.其它各單元的設計

縫隙式澆注系統(tǒng)除了立縫和立筒外，還有直澆道、橫澆道及將金屬液引入立筒的內澆道。它們的作用、結構形式和尺寸確定辦法與一般的底注式澆注系統(tǒng)相同。

但內澆道的位置，即金屬液引入立筒的位置，對縫隙式澆注系統(tǒng)的作用影響很大。設計時應盡可能把內澆道置于立筒的底部。立筒底部應比鑄件底面低20～30mm。這樣使金屬液由內澆道進入立筒后不立即流入型腔，而有一個向上的流動趨勢。實踐證明，這樣可以保證金屬液逐層充填和流動平穩(wěn)，溫度分布有利于自下而上的凝固，對浮渣也更為有利。

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學4.5.4澆口杯尺寸的確定

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學

第4章澆注系統(tǒng)鑄造工藝學圖4-42澆口杯尺寸

現有澆注系統(tǒng)設計理論的問題

①壓頭：從澆口杯液面到內澆道中心的垂直距離。

②內澆道流速只決定于壓頭。③計算公式中不包括澆道截面比。

④結果：計算出來的截面積偏小，澆注時間長。

4.6

澆注系統(tǒng)大孔出流理論初步

而鑄造中的澆注系統(tǒng)直澆道、橫澆道與內澆道截面比值多在1～3的范圍內，最大值很少超過5，屬于同一數量級。根據連續(xù)流動定律，直澆道中的流速和橫澆道、內澆道的流速也同屬一個數量級，不可以忽略不計。因此，不能把包括直澆道在內的澆口杯液面到內澆道中心的垂直距離作為內澆道出流的靜壓頭。就是說，澆注系統(tǒng)的內澆道出流已經超出了小孔出流的條件，建立在小孔出流基礎上的澆注系統(tǒng)計算，存在著理論和實踐很不適應的問題。4.6.1澆注系統(tǒng)截面比與內澆道出流速度的關系

孔口出流圖4-43液箱、孔口和儲液容器出流觀測系統(tǒng)

以上觀察表明：在液箱、孔口和儲液容器組成的系統(tǒng)中，當液箱和孔口截面積相近，同處一個數量級時，液箱流速v1不可忽略不計，運動著的流體對側壁壓力的降低使表征孔口實際壓頭的測壓管液面h低于液箱液面H，即孔口出流速度v2不僅取決于液箱液面高度H，還取決于液箱與孔口的截面比A1／A2，因而也對儲液容器液面hc有調節(jié)作用。當儲液容器液面hc淹沒孔口時，對測壓管液面h也有影響，故此稱H、h、hc三個液面為相互有影響的液面系統(tǒng)，簡稱液面系統(tǒng)。2.澆注系統(tǒng)大孔出流

鑄造工程中澆注系統(tǒng)各組元的過流截面積相近，基本上全部屬于A1／A2<5的液面系統(tǒng)，內澆道相對于直澆道和橫澆道來說，已不能算作小孔。加上各單元直角連接，流股轉向突然，消能作用強烈，使內澆道的出流壓頭、速度及流量隨截面比值不同而在較大范圍內變化，描述能量變化的伯努利方程難以精確求解。以圖4-43水力模擬試驗為例，A1取值范圍為50～10cm2，A2取值范圍為10～3cm2，H取25cm，測壓管a液面高h的變化如圖4-44，孔口出流速度口：變化如圖4-45。

孔口出流壓頭與流速的測定圖4-44實際作用壓頭隨截面比的變化

孔口出流壓頭與流速的測定圖4-45孔口出流速度隨截面比的變化

大孔出流的定義：在直澆道幾何高度一定的條件下，當直澆道、橫澆道與內澆道截面比值在小于5的范圍內變化時，內澆道出流壓頭和速度變化的幅度較大；當截面積比值大于5且繼續(xù)增大時，內澆道出流壓頭和速度變化的幅度逐漸減小并趨于一個定值。

定義直澆道、橫澆道與內澆道截面積比值小于5的澆注系統(tǒng)出流為大孔出流。大孔出流時，內澆道出流壓頭和速度不僅與澆口杯液面到內澆道中心的垂直距離有關，還與澆注系統(tǒng)截面積比值的大小有關。4.6.2澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道四單元澆注系統(tǒng)大孔出流研究

根據大孔出流理論，從澆注系統(tǒng)截面比這個重要的工藝參數出發(fā)，通過水力模擬，研究四單元澆注系統(tǒng)各組元實際作用壓頭的計算公式和橫澆道充滿判據，為流速、流量和流態(tài)控制提供新的數學模型和工藝途徑。

杯直橫內4單元澆注系統(tǒng)1.四單元澆注系統(tǒng)實際作用壓頭

采用內澆道中心標準法，即直澆道壓頭H、橫澆道壓頭h2、內澆道壓頭h3。均以內澆道中心線為起點，如圖4-46所示。圖4-46四單元澆注系統(tǒng)實際壓頭內澆道中心標注法

有效截面比K1、K2與實際壓頭h2、h3設則

h2

的物理意義①直澆道正壓充滿程度②決定橫澆道流速h2是橫澆道液體流動的實際壓頭，同時也是直澆道液體流動的反壓頭，當直澆道底部截面積小于頂部時，決定直澆道流速的壓頭為(H-h2)，h2越大，直澆道流速越小，將有利于渣、氣在直澆道中的分離上浮。

在h2的直澆道高度內，直澆道一定呈正壓狀態(tài)，不管直澆道形狀如何(上大下小或上小下大)，h2段直澆道(砂型)壁都不會產生吸氣現象。h3的物理意義①橫澆道充滿判據②內澆道實際壓頭,它決定內澆道流速。h3是作用在內澆道上的實際壓頭

在H一定時，調整澆注系統(tǒng)有效截面比k1、k2，就可以調整h3的大小，從而達到控制內澆道出流速度、流量及平穩(wěn)性的目的。h3也是金屬液在h2壓頭作用下流入橫澆道的反壓頭，(h2-h3)的大小決定橫澆道的流速。凡是有利于減小(h2-h3)值的因素，都可以降低橫澆道流速，減小紊流程度，提高金屬液在橫澆道中流動的平穩(wěn)性，減輕氧化，有利于熔渣上浮。3.四單元澆注系統(tǒng)充填過程動態(tài)參數的確定

澆注過程中，當型腔中金屬液體淹沒內澆道后，會對澆注系統(tǒng)的流動產生反壓作用，橫澆道壓頭h2、內澆道壓頭h3要發(fā)生變化。下面對h2、h3及型腔液面位置的變化規(guī)律進行分析。頂注、底注、中注條件下的高度標注情況見圖4-48。

（3）中注式

內澆道從型腔中部引入，內澆道下部型腔高度為c1，內澆道上部型腔高度為c2，鑄件型腔總高度為c=c1+c2。充填下半型時，相當于頂注條件，可以用頂注公式；充填上半型時，相當于底注條件，可以用底注公式。兩者結合，可以求出中間注入式充填動態(tài)參數的理論計算公式。計算平均壓頭H均

本章結束第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

鑄件凝固時的收縮對鑄件質量有較大的影響，尤其在航空鑄件生產中，鋁鎂合金占比重較大，而它們的凝固收縮比較大。如果這些鑄件在凝固時得不到適當的補償，由于收縮將會產生縮孔和縮松。

在生產中，為了防止縮孔和縮松的產生，常常采用在最后凝固的部位設置冒口和冷鐵的工藝措施，從而有效地控制鑄件的凝固過程，補充鑄件的收縮，防止鑄件產生縮孔、縮松、裂紋和變形等鑄件缺陷。5.1概述第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

逐層凝固方式的合金易產生集中縮孔，只要冒口有適當的容積和產生足夠的溫度梯度就能防止鑄件產生縮孔和在其中心部分出現宏觀縮松。

寬凝固范圍的合金與逐層凝固的合金相比較，對冒口所產生的溫度梯度更敏感。較大的冒口會在冒口附近區(qū)域造成不利的溫度梯度，使得鄰近冒口的區(qū)域內疏松增加。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

因此，對于糊狀凝固方式的寬結晶溫度范圍的合金，應當采用盡可能小的冒口，以便防止宏觀疏松。這樣也將使顯微縮松減至最小限度。如果采用一個較小的絕熱冒口，它所產生的溫度梯度將更有利于得到較高質量的鑄件。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.2冒口的作用、種類及對它的要求

冒口是鑄型內用以儲存金屬液的空腔，習慣上把冒口所鑄成的金屬實體也稱為冒口。圖5-1冒口對鑄件質量的影響第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.2.1冒口的作用1）補償鑄件凝固時的收縮。

即將冒口設置在鑄件最后凝固的部位，由冒口中的合金液補償其體收縮，使收縮形成的孔洞移入冒口，防止鑄件產生縮孔、縮松缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學2）調整鑄件凝固時的溫度分布，控制鑄件的凝固順序。

鋁、鎂合金鑄件及鑄鋼件的生產中，一般都使用較大的冒口，冒口內蓄積了大量的液態(tài)金屬并且散熱很慢，對凝固前的溫度調整和凝固的溫度分布產生一定的影響。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

現在普遍采用以下工藝措施來提高和保持冒口內金屬液的溫度，Ⅰ.保溫冒口Ⅱ.將冒口置于橫澆道、內澆道上Ⅲ.將冒口和縫隙澆道連通及開設輔助澆道充填冒口

這對鑄件在凝固階段形成向著冒口方向的順序凝固有明顯的作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3）集渣排氣4）利用明冒口觀察鑄型中金屬液充填情況。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.2.2對冒口設計的要求冒口設計應遵循的基本原則如下：1）冒口的凝固時間應大于或等于熱節(jié)處