铸件浇冒口系统设计计算
精密铸造铸件工艺与浇冒口系统设计
第六章铸件工艺设计第一节概述为了生产优质而价廉的包模铸件，做好工艺设计是十分重要的。
在做工艺设计之前，首先要考虑选用包模铸造工艺生产时，在质量、工艺和经济方面的几个问题。
1.铸件质量的可靠性对于铸件质量上的要求，一般是包括两个方面，一是保证技术要求的尺寸精度、几何精度和表面光洁度，二是保证机械性能和其它工作性能等内在质量方面的要求。
包模铸造具有少切削、无切削的突出优点。
近年来，由于冶金技术、制模、制壳材料和工艺以及检测技术等方面的发展，包模铸件的外部和内在质量不断提高，所以它的应用范围愈来愈广。
不少锻件、焊接件、冲压件和切削加工件，都可以用熔模铸造方法生产。
这对于节约机械加工工时和费用，节约金属材料，提高劳动生产率和降低成本都具有很大意义。
但是，熔模铸造生产的铸件，由于冶金质量、热型浇注引起的晶粒粗大、表面脱碳以及内部缩松等方面的原因，铸件的机械性能(尤其是塑性)，还存在一些缺陷。
对于某些受力大和气密性要求高的铸件，采用包模铸造时，应充分考虑零件在产品上的作用和性能要求，以确保其使用可靠。
有些结构件改用包模铸造生产时，必须考虑原用合金的铸造性能是否能满足零件的质量要求，否则就需要更改材质。
2.生产工艺上的可能性和简易性熔模铸造虽然可以铸造形状十分复杂的、加工量甚少甚至不加工的零件，但零件的材质、结构形状、尺寸大小和重量等，必须符合熔模铸造本身的工艺要求。
如铸件最小壁厚、最大重量、最大平面面积、最小孔槽以及精度和光洁度要求等，都要考虑到工艺上的可能性和简易性。
3.经济上的合理性采用包模铸造在经济上是否合理，要从多方面考虑。
按每公斤的价格来说，包模铸件与同类型锻件相近甚至还高些，但是由于大幅度减少了加工量，因而零件最终成本还是低的。
但也有些零件，可以利用机械化程度较高的方法生产，例如用自动机床高速加工、精密锻造、冷挤压、压力铸造等等，这时，用包模铸造法生产在经济上的优越性就不一定显著，甚至成本还可能高一些，所以在这种情况下，就不一定选用这种方法了。
第三章 浇注系统的设计与计算
湖北汽车工业学院材料工程系 Department of Materials Engineering
复习题
1．浇注系统由哪些部分组成？分别说明各个组元的 作用？ 2．比较顶注式和底注式浇注系统的优缺点。 3．比较封闭式和开放式浇注系统的优缺点。
4 . 如何提高横浇道的撇渣效果？
5. 内浇道在铸件浇铸中能够起到哪些重要作用？ 6．确定内浇道位置要注意哪些具体问题？ 湖北汽车工业学院材料工程系
配套措施：
1）浇口杯应足够大； 2）严格控制浇注时间。
湖北汽车工业学院材料工程系 Department of Materials Engineering
计算实例：
1、绘制模板布置简图
各层铸件内浇道的金属压力头： h1=100mm； h2=250mm； h3=350mm。
2、计算型内金属质量 m /kg
阶梯式的优缺点
兼有底注式和顶注式 的优点，充型平稳。 但结构复杂，设计和 计算较难。 用于高度大的中、大 型铸件。阶梯式或缝 隙式用于垂直分型无 箱挤压造型或金属型 铸造
湖北汽车工业学院材料工程系 Department of Materials Engineering
（二）按浇注系统各组元截面积的比例关系分
4、 选用浇口杯 根据铸型的浇注速度，使用4号浇口杯，铁液积存5.5 kg； 5、分别计算或由内浇道计算诺谟图查各层内浇道截面积： （流量系数取 μ=0.5） S1=70mm2 ； S2=45mm； S3=38mm2。 6、分直浇道截面积 ∑S内 =2×（70+45+38）=306mm2, S分直=1.2×S内=306×1.2=367mm2 分直浇道的截面尺寸： 上底宽11mm；下底宽22mm；高22mm 。 实际：S分直=363mm2。 7、 水平横浇道尺寸 S横=1.3×363 mm2=472 mm2。 选上底宽12.5mm；下底宽25mm；高25mm； 实际截面积469mm2。
精选铸造工艺学浇口设计
（1） 横浇道应呈充满状态：内浇道的截面、位置； （2） 流速应尽量低；
（3）横浇道与内浇道的位置关系要正确; a 内浇道距离直浇道应足够远，使渣团能上浮到吸动区上部。 b 有正确的横浇道末端延长段，以容纳初流金属液；吸收液流
动能使金属液平稳；防止液流折返。
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c 封闭式浇注系统的内浇道应 位于横浇道的下部，且和横 浇道具有同一底面；开放式 浇注系统的内浇道应重叠在 横浇道之上，且搭接面积要 小，但大于内浇道横截面积 。
第7章 浇注系统设计
浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道。 组成：浇口杯（又称外浇口）、直浇道、横浇道、内浇道等。
1
浇注基本要求： （1）内浇道设置符合铸件凝固原则和补缩方法； （2）在规定的浇注时间内充满型腔； （3）提供必要的充型压头，保证铸件轮廓、棱角清晰； （4）使金属液流动平稳，防止紊流、卷气、金属氧化； （5）具有良好的阻渣能力； （6）金属液进入时速度不可过高，避免飞溅、冲刷； （7）保证金属液面有足够的上升速度，避免夹砂结疤、浇
P = Pα+ρg·h （2）伯努利（E.Bernoulli）方程（能量守衡定律）
在封闭系统中移动的流体由三种不同的能量组成： 位能：用位于距离基准面以上h处的单位体积的流体来表
示（基准面位置任选）。EP=h（m）
压能：作用在单位体积流体上的压力来表示。
EP=p/ρ（m） p 质量压力（kg/m2）
ρ金属密度（kg/m3）
动能：用单位体积的流体以速度v移动时的动量来表示。
EK=v2/2g
定理：在一封闭系统中，单位质量流体所携带的总能量是
不变的，但其位能、压能、动能可以互换。
h1+p1/γ+V12/2g=h2+p2/γ+v22/2g 伯努利方程 （3）托里拆利（Torricelli）定理
铝合金砂型铸造案例分析- 浇冒口系统设计
横浇道尺寸 内浇口尺寸
使用以上信息，我们就可以建议一模4件的 初始工艺设计方案。
为什么没有加次冒口2、3？
在初始设计中，我们将验证从主冒口浇注 产生的温度分布变化能否使所有的凝固顺 序都指向主冒口，而不用加次冒口。如果
不行的，再添加冒口或冷铁等。
接下来，对初始设计工艺进行模拟。使用 FLOWCast™模拟充型过程，使用
及最大出品率的冒口尺寸。
联系方式 天津富宇创想科技有限公司
公司网站：
冒口冒口2推荐直径推荐直径15英寸英寸x高高3英寸英寸冒口冒口3尺寸相同直径尺寸相同直径15英寸英寸x高高3英寸英寸接下来使用浇注系统设计向导接下来使用浇注系统设计向导gatingdesignwizard?确定最优浇注时间确定最优浇注时间直浇道横浇道及内浇口尺寸直浇道横浇道及内浇口尺寸最优浇注时间最优浇注时间直浇道形状直浇道形状浇口位置浇口位置浇注系统截面比浇注系统截面比直浇道直径直浇道直径横浇道尺寸横浇道尺寸内浇口尺寸内浇口尺寸使用以上信息我们就可以建议一模使用以上信息我们就可以建议一模4件的初始工艺设计方案
行分析，得到铸件模数*。根据模数就可以
知道铸件每部分的凝固顺序，并用来确定冒 口或浇口放置的最佳位置及给出冒口尺寸。
*注: 传统的模数定义为——体积：表面积，SOLIDCast使用的是热 模数，这比传统的方法要准确的多。
铸件上的模数分布
冒口设计向导（Riser Design Wizard）通 过分析铸件上的模数分布，给出推荐的冒
铸件上的缩松（弥散的缩松）分布
X-Ray View
结论
使用浇注系统设计向导和冒口设计向导， 我们可以很快的设计出铸件工艺方案。使 用FLOWCast和SOLIDCast可以快速验证
球墨铸铁件冒口设计
2．控制压力冒口（又称释压冒口）
特点：利用部分共晶膨胀量来补偿铸件的凝固收缩 浇注结束，冒口补给铸件的冒口以释放“压力”
应用合理的冒口颈尺寸或一定的暗冒口容积控制回 填程度使铸件内建立适中的内压来克服凝固收缩， 从而获得既无缩孔、缩松又能避免胀大变形的铸件
M颈M冒 （㎝）
图4-40 M冒和M件的关系图 1—冶金质量差 2—冶金质量好
图4-41 需要补缩金属液量和铸件模数的关系 VT—设置冒口部位铸件或热节体积 VC—铸件需补缩体积
（2）冒口的补缩距离 指由凝固部位向冒口
输送回填铁液的距离 与铁水的冶金质量和
铸件的模数密切相关
图4-42 铁液输送距离和冶金质量及铸件模数的关系 1—冶金质量好 2—冶金质量中等 3—冶金质量很差
口体积，只有这部分金属液才能对铸件起补缩作用
冒口有效体积依铸件液态 收缩体积而定，一般比铸件 所需补缩的铁液量大
共晶成分的铸铁，冒口有 效体积取铸件体积的5%
碳当量低的铸件，冒口有 效体积取铸件体积的6%
图4-36 铸铁的ε—t浇曲线 ε—液态体收缩率 t浇—浇注温度
1—CE=4.3% 2—CE=3.6%
冒口颈模数M颈的确定：
M颈t浇 t浇 1111550cl0M件(cm )
式中 M颈 ——冒口颈模数（cm） M件——设置冒口部位的铸件模数（cm） t浇——浇注温度（℃） c ——铁液比热容，c与铁液温度有关，在 1150～1350℃范围内，c为835～963 J/(kg·℃) l ——铸铁结晶潜热为（193～247）×103J/kg
实用冒口的工艺出品率高，铸件质量好，更实用
原理：利用冒口来补缩铸件的液态收缩，而当液态收缩
冒口有效体积依铸件液态收缩体积而定，一般比铸件所需补缩的铁液量大
浇注系统设计
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• C)根据标准冒口形状，从圆柱形冒口中 选择与计算值最接近且大于计算值的冒 口。MR=0.84(6#)符合条件：
MR ≥0.79cm
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• d) 冒口直径为：DR=45mm • e)冒口径的横截面积计算如下：
冒口径直径： DN>1/3DR=45/3=15mm 冒口径的面积（为圆形）
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冒口计算范例
• 为更好的说明冒口计算，此处以球铁的 万向节冒口设计为例。很显然圆柱支柱 是铸件最紧实部分，这部分冷却最慢， 凝固最晚，因此在金属收缩时需要金属 补缩。模板的布置图如下：冒口放置在
圆柱的顶部，以便（1）获得顺序凝固
（2）补缩时借助重 力
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如图：
冒口计算范例
35mm
80mm
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铸造常见的几种缺陷
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1.冷隔 2.砂渣眼 3.掉砂 4.粘板 5.押入
6.错模 7.粘砂 8.气孔 9.缩孔 10.打联
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分析对铸件缺陷产生原因
1.浇注系统
a)因浇道位置引起的铸件缺陷。 b)因浇道形状引起的铸件缺陷。 c)因浇道面积引起的铸件缺陷。
2.因机器参数设置引起的缺陷
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4. 冒口与铸件如何连接（冒口径） 冒口径的形状设计必须能保证冒口与铸
件间通道始终畅通，金属液以最佳的方式 对铸件进行补缩。
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冒口有两种类型的收缩
1.表面缩孔。 2.内部缩松。 改善内部的缩松对策：
a.提高CE值 b.增加砂型强度 c.使用冷铁 d.顺序凝固 e.减少孕育用量 f.铁液净化 g.镁残留量趋进0.035
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铸造浇注系统设计PPT课件
直浇道窝的作用
① 缓冲作用：液流下落的动能有相当大一部分被窝 内液体吸收而转变为压力能，再由压力能转化为 水平速度流向横浇道，减轻了对直浇道底部铸型 的冲刷。
直浇道窝的作用
② 改善内浇道的流量分布：例如在S直：S横： 2S内= 1 ： 2.5 ： 5的实验条件下，无直浇道窝时，两相等 截面的内浇道的流量分配为：31.5%（近直浇道者） 和68.5%（远者）；有直浇道窝时的流量分配为： 40.5%（近直浇道者）和59.5%（远者）。
主要作用是捕集、保留由浇道流入的夹杂物，所以又称“捕渣 器”，是浇注系统最后一道挡渣关口。
要求横浇道平稳、缓慢地输送金属液，而低速流动又可减少充 填时对型腔时的冲击，利于渣粒在横浇道中上浮并滞留在其顶 部而不进入型腔。
1、横浇道中的液流分配
• 金属液从直浇道进入横浇道初期，以较大速度沿 长度方向向前运动，等到达横浇道末端冲击该处 型壁后，金属液的动能转变为势能，横浇道末端 附近液面升高，形成金属浪，并开始返回移动， 使横浇道内液面向直浇道方面逐渐升高，直到全 部充满。
浇注过程是不稳定流动过程 ✓ 在型内合金液淹没了内浇道之后，随着合金液面上升，
充型的有效压力头渐渐变小 ✓ 型腔内气体的压力并非恒定 ✓ 浇注操作不可能保持浇口杯内液面的绝对稳定
一、砂型流动的水力学特点
合金液在浇注系统中一般呈湍流状态
多相流动
一般合金液总含有某些少量固相杂质、液相夹杂和气 泡，在充型过程中还可能析出晶粒及气体，故充型时合 金液属于多相流动
第七章 浇注系统设计
本章主要讲授浇注系统类型的选择，浇注最小截 面尺寸的计算，其它铸造合金浇注系统的特点。要 求掌握浇注系统的选择原则。
重点为浇注系统的选择原则和确定浇注位置，难 点为浇注系统选择原则的灵活应用。
铸造工艺学冒口设计
(2)按比例确定轮缘冒口 尺寸
1)冒口补贴按下列经验 比例关系确定:
d1=(1.3-1.5)dy; 42 42
R1=R件+dy+(1-3)mm;R2=(0.5-1)dy;δ=5-15mm 2)冒口尺寸用下述比例关系计算: 暗冒口宽:B=(2.2-2.5)dy 明冒口宽:B=(1.8-2.0)dy 冒口长:A=(1.5-1.8) B 3）计算冒口补缩距离，L=4dy。当两冒口距离超过此值时，应放置冷
① 在热节的上方或侧旁；
② 尽量在铸件最高、最厚部位， 低处热结设补贴或冷铁；
③不应设在铸件最重要、受力 大的部位；
④ 不要选在铸造应力集中处，
应减轻对铸件的收缩阻碍，避免 裂纹；
⑤ 尽量用一个冒口同时补缩几 个热节或铸件；
⑥ 冒口布置在加工面上，可节 约铸件精整工时，外观好；
⑦ 不同高度的冒口，用冷铁使
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补贴种类： 金属补贴 加热（耐火隔片）补贴 发热（保温）补贴 补贴的位置： 水平补贴：最大长度为 冒口模数的4.7倍，其它尺 寸如图。 垂直补贴：试验条件和 关系曲线如图，生产条件变 化时补贴厚度乘以补偿系数。
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局部热节的补贴尺寸：采用A·Heuvers氏滚圆法。重要部 位的热节可用扩大滚圆法。
铁或设水平补贴。
（3)轮毂冒口尺寸
1）轮毂补贴按下列关系确定
D1=（1.1-1.3）dy
2）当轮毂较小时用一个冒口，冒口尺寸为：
冒口直径：D=Φ2-（15-20）mm，Φ2是轮毂直径
冒口高度：H=（2-2.5）d1+r r的值待d1确定后按图作出。当轮毂较
铸造中铸件需要使用多大直径的冒口补缩怎么计算？
铸造中铸件需要使用多大直径的冒口补缩怎么计算？铸造生产当中，冒口的设计直接关系着铸件的成品率与质量。
因此，许多铸造厂都非常重视铸件冒口的设计。
所谓冒口，顾名思义就是铁水浇注时冒上来的口，有两个主要作用，一是浇注完成后热液补缩，二是注汤时，型腔内快速排出气体。
排气作用就不说了，就说补缩，铁水在液态向固态凝固时，铸铁的铁水有个特性，先共晶，再共析，共晶过程也是膨胀的过程，共析是收缩的过程，铁水的缩性又与化学成分，冷却速度，型核分布，熔炉速度，熔炼温度，镇静时间，浇注温度有关，难以一言蔽之，铁水熔炼不控制好，就算有最好的计算结论，都是白搭。
老实说，想简单的述说清楚冒口设计的问题，很难，这个问题不是我不回答，而是我每次想回答时，都发现自己要罗列一大堆数据公式，才能把这个问题讲清楚。
这个问题看似简单，基本上等同于简述铸造工艺学。
这太费时间和精力，读者也未几能有耐心看完那样叙述。
然而，如读者真想把冒口设计的基础理论弄明白，系统的学习《铸造工艺学》是必须做的事情。
咱们今天，就只能简要的讲述一下冒口设计的基本要素。
冒口设计要根据不同的材料，不同尺寸，不同形状，不同材质的特性进行设计。
首先，铸造工艺不一样，由此引申出的各类冒口的类型也是不一样的，因而冒口尺寸计算的方法也是不一样的。
简单以材料分类，铸钢件采用的冒口计算方法有模数法，三次方程法，补缩液量法，比例法。
铸铁件因凝固方式特殊（受冶金质量和冷却速度影响），大多靠经验辅以模数法和比例法。
今天，只简单说说铸钢，公式就先都不写了。
第一，模数法模数指的是铸件被补缩部位的体积与散热表面积的比值称为模数。
模数基本等同于铸件的凝固时间，也就是说不同形状大小的铸件，只要模数相同，我们就认为他们的凝固时间几乎相等。
当我们使用模数法时，基本遵循两条原则。
1.冒口的模数需大于铸件被补缩区域的模数。
2.冒口必须有足够的金属溶液补充铸件收缩部分的体积收缩。
第二，三次方程法三次方程法是模数法的延伸，主要用于计算机辅助设计中。
浇注重量的计算.
计算浇注重量
• 浇注重量不是零件重量，也不是铸件重量。它是包括浇注系统和冒口部分重量 在内的金属夜重量； • 一个逻辑上的问题是，浇注系统和冒口部分的重量还是未知数！对此需要先按 照经验取值，即一般情况下，浇注系统和冒口占铸件重量的百分比在一个大致的 范围内，数表给出了这一比例； • 计算铸件的重量是绕不过去的。可以采用铸件体积乘以金属密度的方法，也可 以采用计算机辅助的方法。
浇冒口重量占铸件重量的比例
铸件重量/㎏ <100 100~1000 >1000 大量生产 20%~40% 15%~20% — 成批生产 20%~30% 15%~20% 10%~15% 单件、小批生产 25%~3源自% 20%~25% 10%~20%