哈工大 材料加工-铸造工艺学复习题答案

铸造工艺学复习题答案（吴士平部分）

以这个为准吧其他的作参考

3（比较重要）浇注系统的分类

一、浇注系统按内浇道设置在铸件的不同高度处分类

1.顶注式浇注系统——内浇道设置在铸件的最高处；

2.中间注入式浇注系统——内浇道设置在铸件侧面，从铸件中间高度引入；

3.底注式浇注系统——内浇道设置在铸件最低处侧面或底部；

４.阶梯式浇注系统——内浇道设置在铸件一侧不同高度多层式引入；

二、按浇注系统各基本组元截面积的比例分类

1.封闭式浇注系统——这种浇注系统各组元中总截面积最小时内浇道，也就是说内浇道成了该系统中的阻流截面。统常写成F直＞F横＞F内

2.开放式浇注系统——一般说来，这种浇注系统就是F直＜F横＜F内，即是系统中的阻流截面在直浇道下端或者在它附近的横浇道上，以期直浇道充满。

5 横浇道作用、形状特点

作用：(将金属液引入到内浇道，阻挡熔渣、气体、砂粒进入型腔)

1使金属液以均匀而足够的量平稳的流入内浇口

2其结构开放式有利于渣及非金属夹杂物上浮并滞留在其顶部，而不随流进入型腔，故又称为撇渣道。因此希望金属液流流动平稳有利于撇渣

形状特点：

①横浇道要有延长段

②要有足够长度、足够高度

③在内浇道入口处存在“吸动作用区”

6（关键）浇注系统充满的条件是什么？为什么要充满浇注系统？实际金属即使不满足浇注条件依然充满如何解释？

砂型浇注系统的充满条件表示为金属流的压力P高于型壁的气流压力Pa。

为什么要充满浇注系统？？？？

若把液态金属视为理想流体，此时只有S直>S横>S内才能满足充满条件，这就是传统的浇注系统充满理论。而实际液态金属是有粘度的，不能作为理想流体去研究，实际流体的流动阻力影响是不容忽视的。因此，即使不满足浇注条件依然充满。

7（会）浇注系统开设的原则中，有时“从铸件的薄壁处引入”，“从铸件的厚壁处引入”，二者是否矛盾？

1)从铸件的薄壁处引入

这种方法适用于薄壁而轮廓尺寸又大的铸件。（因为可以实现同时凝固，应力小，适合收缩不大的灰铁铸件）

2)从铸件的厚壁处引入

创造顺序凝固，有利补缩铸件，（适合有一定壁厚差而凝固时合金的收缩量较大的铸件，如铸钢件）

9（会）如何设计铸钢件浇注系统？

铸钢的特点：熔点高，易氧化，流动性差，在凝固中收缩大，易产生如缩孔、缩松、热裂和变形及缺陷。

设计要点：

①、遵循方向性（顺序）凝固原则，浇口多设在冒口下，配给使用冷铁、收缩筋等；

②、使用柱塞包浇注时，直浇道设计成不充满的开放式，以保证钢液不溢出（即包口为最小截面积）；

③、中小件多采用底注，大件多采用阶梯式；

④、浇注系统简单、截面尺寸大，以保证快浇。

13（关键）冒口的种类有哪些？

1）按冒口在铸件上的位置分

?①顶冒口：位于铸件的最高处②侧冒口：设置在铸件的热节点处③补贴冒口：方向凝固④局部冒口

?2）按冒口结构分

?①矩形冒口②圆柱形冒口③球型冒口

3）按冒口内腔与大气之间关系

?①明冒口②暗冒口大气压力冒口③发气压力冒口

14（关键）冒口的有效补缩距离有哪几个部分组成？

冒口的有效补缩距离是致密的冒口区和致密的末端

区之和（包括冒口补所缩距离和末端的边角效应之和,当

有冷铁放置在冒口间或铸件末端时,会増大冒口补缩区b-

有效补缩区c-冒口补缩区e- 末端边角激冷区f- 缩松区

17（关键）提高冒口补缩效率的方法有哪些？(大气压力冒口、保温冒口、发热冒口提高补缩效率原理的异同)

1、提高冒口中金属液补缩压力----大气压力冒口

在暗冒口顶部安装细砂芯，伸入冒口中心，为大气压力冒口。浇注冒口表面结壳，外界大气压力仍可作用至金属液面上，可以增加冒口的补缩压力。

2、延长冒口中金属液保持时间----保温冒口、发热冒口：使用保温材料、发热材料作冒口套。异同点:均使补缩效率提高, 大气压力冒口通过大气压力而发热冒口、保温冒口通过延长冒口凝固时间来提高补缩效率

21（关键）什么是压环、防压环、积砂槽？各起什么作用？

压环：指在上模样芯头上车削一道半圆凹沟,造型后在上芯座上

凸起一环形砂,合型后它能把砂芯压紧,只适用于机器造型湿型.

作用:合型后把砂芯压紧,避免液体金属沿间隙钻入芯头,堵塞通

气道

防压环：指在水平芯头靠近模样根部设置的凸起圆环,高度

0.5～2㎜,宽5～12㎜

作用：造型后,相应部位形成一下凹的环状缝隙,下芯,合型时可

防止此处砂型被压塌,因而可防止掉砂缺陷

集砂槽：在下芯座模样边缘上设一道凸环, 造型后,砂型内形成一环形凹槽

作用:存放个别散落砂粒,而不致于使砂芯放不到底面上,且极大加快了下芯速度（存放遗漏的散落残砂或小砂块,避免芯头与芯座因残砂垫起而位置不正）

22（关键）铸造工艺参数包括哪些？为什么需要设置机械加工余量？

铸造工艺参数包括：铸造收缩率、机械加工余量、起模斜度、最小铸出孔的尺寸、工艺补正量、分型负数、反变形量

加工余量：指为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。

设置机械加工余量的原因：

铸件本身精度、表面粗糙度相对较低,且一些基本尺寸和结构有具体相关标准选用,对于铸件加工表面,必须留有适当的机械加工余量才能使铸件机加后获得光洁表面和精确尺寸,以符合图纸要求。

浇注系统充满理论

砂型具有透气性，从这种特殊边界条件出发。可知只有金属流的压力P高于型壁的气流压力Pa时，才呈充满状态。这时型壁对金属流有约束作用，除了砂粒承受金属的压力外，砂粒间的微孔所形成的毛细管压力和孔内的气体压力，共同阻止金属液深入孔隙；而液流压力P下降到等于型壁的气体压力Pa时，金属液流开始脱离型壁出现非充满状态。因此，砂型浇注系统的充满条件表示为：

P>Pa 3－4－6

下面分析直浇道、横浇道充满条件。

于是,上式可转化为3-4-11

横浇道充满条件公式

同理，在直浇道的任意高度z-z 面和内浇道的i-i 面之间应用伯努利方程、砂型充满条件和连

续方程，可导出直浇道的充满条件及判别式：

可以看出，：若把液态金属视为理想流体，则全部阻力系数均等于零，流量系数μ＝1。只有S 直>S 横>S 内才能满足充满条件，这就是传统的浇注系统充满理论。众所周知，实际液态金属是有粘度的，不能作为理想流体去研究，实际流体的流动阻力影响是不容忽视的。 浇注系统开设的原则

1) 从铸件的薄壁处引入

这种方法适用于薄壁而轮廓尺寸又大的铸件。（因为可以实现同时凝固，应力小，适合收缩不大的灰铁铸件）

2) 从铸件的厚壁处引入

创造顺序凝固，有利补缩铸件，（适合有一定壁厚差而凝固时合金的收缩量较大的铸件，如铸钢件）

３) 内浇道尽可能不开在铸件重要部位

局部过热，粗大(组织) 易缩松

４) 内浇道要引导液流不正面冲击铸型、砂芯等

５) 浇注系统位置选择，应该使金属液在型腔内流动路径尽可能短，还应考虑不妨碍铸件收缩

s s <内

直r s s ζ<内横

６)内浇道应开在加工表面

2、铸造优缺点

优点：

1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。

缺点：

1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。

2）铸件质量不够稳定。

第一节浇注系统设计

§3-1 浇注系统概念

一、什么是浇注系统

在铸型上用以把金属液体从浇包引入到型腔内所经过的一系列通道称为浇注系统。

将金属液体正确引入铸型型腔，对保证铸件的质量起重要作用，一般铸件由于浇注系统设置错误而造成的铸件废品的，约占铸件总废品的30%，使金属液的消耗增加；铸件成本增加

二、浇注系统的主要作用

1.保证金属液体平稳地、无冲击地充满型腔；

2.防止熔渣随同金属液体进入型腔；

3.防止金属液卷入气体带入型腔；

4.防止铸件产生渣眼、沙眼、气孔缺陷；

金属液引入型腔位置会影响铸型与铸件的温度分布，对铸件缩孔、缩松、内应力的产生有直接影响

三、浇注系统的组成

浇口杯——承接浇包中的液体金属。

直浇道——将金属液由浇口杯引入到横浇道。

横浇道——将金属液引入到内浇道，阻挡熔渣、气体、砂粒进入型腔。

内浇道——将金属液体引入型腔。

按浇注系统各基本组元截面积的比例分类

1.封闭式浇注系统——这种浇注系统各组元中总截面积最小时内浇道，也就是说内浇道成了该系统中的阻流截面。统常写成F直＞F横＞F内

特点：浇注系统易被金属液充满，撇渣能力好，可防止气体卷入。但由于内浇道流出的金属液体受该系统中有效压头的直接作用，因此流速较大，有时会发生喷射现象，因而，不适宜用于易氧化的有色金属件或压头大的件，也不宜用于用柱塞包浇注的铸钢件。

2.开放式浇注系统——一般说来，这种浇注系统就是F直＜F横＜F内，即是系统中的阻流截面在直浇道下端或者在它附近的横浇道上，以期直浇道充满。

特点：它主要适用于易氧化的有色金属铸件，球铁铸件和柱塞包浇注的中大型铸钢件。

开放式浇注系统在一定比例和一定条件下，也是可以充满的

在铝镁合金逐渐上通常的比例是

F直:F横:F内=1 : 2 : 4

直浇道转入横浇道是一个急转弯，如果金属液流速大，将出现严重的紊流和冲刷铸型，设置浇

口窝起缓冲作用，减少对铸型的冲刷，还可以流动分布。

横浇道

主要作用：①除了是金属液以均匀而足够的量平稳的流入内浇口外，②其结构开放式还要有利于渣及非金属夹杂物上浮并滞留在其顶部，而不随流进入型腔，故又称为撇渣道。因此希望金属液流流动平稳有利于撇渣。（常用办法利用水力学中局部阻力和沿程阻力的概念来设计横浇道）。

横浇道的结构也有很大的作用：

①横浇道要有延长段（图3-2-21）；

②要有足够长度、足够高度（图3-2-22）；

渣一般上浮，V2=2r2(ρ液-ρ杂)/gη

液体在横浇道内流动分为V1 、V2

V1为液流速度，V2为上浮速度

渣在V1 V2复合作用下运动，应保证金属液入内浇道以前让渣浮到横浇道顶部，留在横浇道内。当V1即金属液流速过快时，紊流加大→渣上浮阻力加大→临界流速约为悬浮速度，渣越小，悬浮速度越小，则危险性越大（越易进入内浇道）。

③在内浇道入口处存在“吸动作用区”（图3-2-23）；

这个区域范围略大于内浇道横截面积，并且与内浇道内多层金属液流速V有关。吸动区作用范围随内浇道横截面积的增大及内浇道与横浇道的高度比h内/h横的增大而增大加剧。（图3-2-24）

（图3-2-25）将内浇道/横浇道联接处作了修改

（图3-2-26）在内浇道前面压缩流线，防止初始金属液慢慢流入内浇道。

内浇道的作用是控制金属液充填铸型的速度和方向，调节铸型各部分的温度和铸件的凝固顺

序。

冒口的作用

为了使铸件在凝固的最后阶段得到补缩，防止缩孔、缩松、裂纹、变形等产生，则在铸件上设置冒口。

冒口－储备足量的液态金属，又可排气、集渣。铸造合金凝固时，均产生体积收缩，凝固后均会形成孔洞－缩孔、缩松。

三、冒口的设计原则

（一）设置冒口的必要性

（二）、冒口位置选择原则

1 方向性（顺序）凝固，要使凝固进行方向超香

冒口

2 一般在热节上方，厚壁部分设置；

3 冒口应比铸件晚凝固，最后凝固才能补缩；

4 冒口在满足补缩条件下，尺寸尽量小，

5 防止裂纹产生，冒口不设在铸件应力集中处

（阻碍收缩），防止引起裂纹；

6 尽可能地将冒口设在方便和容易消除冒口残

根的地方；

7 冒口的补缩距离要大于冒口的有效补缩范围。

（三）确定冒口的种类和类型

在选定冒口的种类和类型时要考虑设置冒口的效果和造型及去除冒口时是否方便。图3－13是常采用的几种冒口形式

（四）决定冒口的尺寸

（1）一般来说，冒口系统（冒口和冒口颈）的凝固应晚于铸件的凝固。

（2）冒口要能根据设计的要求提供足够的金属来补偿铸件的液态收缩，凝固收缩以及由于型腔扩大而增加的体积。而且要力求铸件的成品率高。

（3）冒口和铸件受补缩部位之间，要保持一定的温度梯度和凝固梯度，以保证补缩通道畅通。（五）校验方向性（顺序）凝固和多冒口的综合效果

由于冒口的有无及其位置、大小等将直接影响铸件的温度场，从而影响凝固的进行状态。此外，在多冒口的情况下还有可能发生相互间的干扰。因此需要校验是否不产生缺陷。

（四）提高冒口补缩效率的方法

一般通用冒口占铸件重30 －50％耗费金属材料,为此：

提高冒口中金属液补缩压力－大气压力冒口

延长冒口中金属液保持时间－保温冒口、发热冒口

1)大气压力冒口

在暗冒口顶部安装细砂芯，伸入冒口中心，为大气压力冒口。浇注冒口表面结壳，外界大气压力仍可作用至金属液面上，可以增加冒口的补缩压力。

?2) 保温冒口

?使用保温材料、发热材料作冒口套。

?⑴冒口套：耐火材料－石英砂、镁砂、铬铁矿砂

?保温材料－膨胀珍珠岩、陶瓷棉、发泡石膏

?发热剂－铝粉、氧化铁粉

?2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+208×4184J

?粘结剂－膨润土、水玻璃、酚醛树脂

⑵保温冒口套实例:

膨胀珍珠岩复合保温冒口套

珍珠岩8-10%，铝矾土27-28%，水泥23-25%，陶瓷棉38-40%，适量水

(3)易割冒口

一）冷铁

为了增加铸件局部冷却速度，在型腔内或表面安放金属块，增加金属冷却作用，把这种起激冷作用的金属块称为冷铁。冷铁分为内冷铁、外冷铁。内冷铁安放在铸型壁内或型腔内，其材质要求与铸件材质相同并要求二者能很好的融合为一体；外冷铁安放在砂型（芯）壁上，不溶入铸件内。

?冷铁作用：

?⑴加快铸件热节部分的冷却速度，使铸件趋于同时凝固，有利于防止铸件变形或出现裂纹。并有可能减少偏析。

?⑵与冒口配合使用，使铸件局部冷却加速，强化了铸件顺序凝固的条件，有利于冒口补缩和扩大冒口补缩范围。这样不仅有利于防止铸件产生缩孔、缩松缺陷，还有可能减少冒口的数目或体积及补贴的斜度，提高工艺出品率。

?⑶加快铸件某些特殊部位的冷却速度，以期达到提高铸件表面硬度和耐磨性、细化基

体组织的目的。

?⑷在难于设置冒口或冒口不易补缩到的部位放置冷铁以减少或防止出现缩孔、缩松。?⑸对球铁，用冷铁进行激冷可以增大铸件表面和中心的温度梯度，有利于提高石墨化膨胀的利用程度和提高冒口补缩效果。

?外冷铁－直接外冷铁、间接外冷铁

?外冷铁是自铸件外壁施加激冷作用，它不与铸件表面溶接，可以回收重用。所以外冷铁的材料以选择导热性好、有足够高的熔点的为好。

?直接外冷铁－金属激冷材料直接与铸件相接触称为直接外冷铁

?间接外冷铁－金属激冷材料通过一薄层非金属材料（如砂子、涂料等厚度在10－15mm）与铸件相接触称为间接冷铁

?要求：

?①外冷铁与表面接触面光洁、去污锈、刷涂料

?②外冷铁呈45°角型砂与铁过渡冷却

?③与壁相连接处不易有尖角，随形

?④外冷铁厚度过厚铸件易裂，过薄易熔合，激

?冷作用时间短，一般为壁厚的0.5-0.7倍

?内冷铁

?内冷铁浇注后与铸件熔合在一起，其材料应与铸件材料相同，激冷效果好，作用优于外冷铁，可以消除铸件的缩孔、缩松。但是，重量过小不易消除缩孔、缩松，过大不易熔合产生裂纹降低性能。

?其重量计算：

?G冷＝0.28(G2-G1)

?G冷内冷铁重

?G2 铸件厚壁处重量

?G1 铸件薄壁处重量

?要求：

?①内冷铁应喷砂（丸）处理，去锈污，或镀锡等

?②型内放好冷铁，3－4小时内浇注，防止吸潮产

?生气孔

?③薄壁件不放置内冷铁，承受高温、高压等铸件

?不应该放置内冷铁

?④内冷铁上方设出气孔

?⑤加工余量应小于冷铁尺寸，加工后不裸露。

?

（二）铸筋

铸筋是保证铸件质量的一种工艺措施。

收缩筋- 为防止铸件产生热裂的称为收缩筋（割筋）清理去除

拉筋- 为防止铸件产生变形的称为拉筋（割筋）热处理后清理去除

1）收缩筋：铸件凝固收缩受型（芯）阻碍，在受拉应力壁上易产生热裂。加筋后，凝固早、强度建立早，可承受较大的拉应力，防热裂。

当1-2，不设收缩筋

承受拉应力壁为主壁，而与之相交形成热节、是主壁产生邻壁长度L，主邻壁之间关系，拉应力的壁为邻壁，决定收缩应力大小

2）拉筋：若断面呈U形，半圆时，凝固、冷却后出现变形，而防止拉筋（在变形处），热处理后去除。

拉筋厚度小于铸件厚度，保证拉筋先于铸件凝固，拉筋厚度为铸件厚度的倍。

实际用反变形模样－反变形量C。