鑄件及鑄造工藝設(shè)計-鑄造工藝設(shè)計（2/2）
鑄鐵件澆注系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范
1.澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則
1）澆口盆容有充足的鐵液，并且要避免氣體和殘渣進入。
2）直澆道不能太高，避免鐵液對底部的沖擊也越大，這會引起底部鐵液飛濺和渦流。
3）為了降低鐵液在直澆道內(nèi)與空氣接觸時間，要保證直澆道快速地充滿。
4）橫澆道必須要有較大的截面，以減低鐵液的流速并消除紊流，同時還要起到擋渣的作用。要做到以上要求，橫澆道在內(nèi)澆道充滿之前必須很快地充滿。
5）內(nèi)澆道的設(shè)計要保證鐵液以較小的速度進入到鑄件里面。
6）出氣孔的截面積要大于等于最小阻流截面的面積，否則就會影響澆注速度。
2.澆注系統(tǒng)的類型
1）封閉式澆注系統(tǒng)。直澆道出口截面積大于橫澆道截面積，橫澆道出口截面積總和大于內(nèi)澆道截面積總和的澆注系統(tǒng)。
2）半封閉式澆注系統(tǒng)。直澆道出口截面積小于橫澆道截面積總和，但大于內(nèi)澆道截面積總和的澆注系統(tǒng)。
3）開放式澆注系統(tǒng)。直澆道出口截面積小于橫澆道截面積總和，橫澆道出口截面積總和小于內(nèi)澆道截面積總和的澆注系統(tǒng)。
4）上述澆注系統(tǒng)的綜合使用也是可能的。但是在這種情況下必須要遵守各自的規(guī)則，同時通用的規(guī)則也不能忽視。其各自的特點及注意事項見表-9所列。
表-9澆注系統(tǒng)的類型及各自特點
（續(xù)）
3.內(nèi)澆道設(shè)計
1）內(nèi)澆道開設(shè)位置有利于鑄件凝固補縮，同時有利于減少鑄件收縮應(yīng)力和防止裂紋。
2）內(nèi)澆道的開設(shè)應(yīng)有利于充型平穩(wěn)、排氣和除渣。
3）不能把內(nèi)澆道開在橫澆道底部。
4）應(yīng)避免內(nèi)澆道直沖芯撐、砂芯、型壁或型腔中的其他薄弱部位。
5）熱冒口必須能得到最后的鐵液（熱的）。
6）內(nèi)澆道不得開設(shè)在鑄件質(zhì)量要求較高的部位和有耐壓要求的部位上，以防止內(nèi)澆道附近組織粗大。
7）從各個內(nèi)澆口注入型腔的鐵液流向應(yīng)盡可能一致，避免相互沖撞。
8）內(nèi)澆口流速應(yīng)該盡可能低，使得充型更平穩(wěn)，對于球墨鑄鐵件的內(nèi)澆口流速要求＜1m/s，其計算可由式（8-4）得出：
式中，V內(nèi)為內(nèi)澆口流速（m/s）；W為鑄件澆注重量（kg）；ρ為液態(tài)金屬密度（kg/dm3），一般灰鐵取7.0（kg/dm3），球鐵取6.9（kg/dm3）；t為澆注時間（s）；S內(nèi)為內(nèi)澆口截面（cm2）。
9）內(nèi)澆道與橫澆道的連接方式要避免產(chǎn)生熱節(jié)，具體見表-10所列。
表-10內(nèi)澆道與鑄件的連接要求
注：如果內(nèi)澆道是瓷管，則厚度t=D/2。
4.橫澆道設(shè)計
1）橫澆道設(shè)計要降低鐵液流速以使殘渣能從鐵液中上浮而停留在橫澆道頂部。
2）橫澆道要在鐵液進入內(nèi)澆道之前快速充滿。
3）填砂方向應(yīng)有利于澆注系統(tǒng)的充分緊實。
4）當(dāng)橫澆道設(shè)置在芯子上時，若芯子高度>500mm，橫澆道外側(cè)與芯子的吃砂量應(yīng)≥80mm。
5）應(yīng)防出現(xiàn)止披縫澆注，中大型鑄件橫澆道與型腔最小吃砂量應(yīng)≥80mm。
6）直澆道底部的緩沖窩和橫澆道端頭的集渣坑如果設(shè)計正確的話可以很好地集渣，具體尺寸見圖-1。
7）常見橫澆道與內(nèi)交道的搭接方式及要求見表-11。
圖-1橫澆道端頭設(shè)計尺寸
表-11 常見橫澆道與內(nèi)澆道的搭接方式及要求
5.直澆道設(shè)計
1）為了避免鐵液在橫澆道內(nèi)飛濺，收集鐵液前端的部分冷鐵液，應(yīng)該在直澆道下面設(shè)置緩沖窩，見表8-22序號7圖。
2）在鐵液下落10mm就可以獲得臨界速度0.5m/s。這就意味著所有的鐵液到達直澆道底部時將獲得過高的速度，橫澆道就必須要使鐵液在進入的內(nèi)澆道和型腔之前減低鐵液的流速。
3）降低直澆道的高度是非常重要的，可以采用分級直澆道或階梯直澆道。
4）直澆道的最大高度與直徑有關(guān)，尺寸選擇可參考表-12。
表-12直澆道最大高度與直徑的關(guān)系
6.澆口盆設(shè)計
1）用以承接液態(tài)金屬導(dǎo)入直澆道頂部。它具有擋渣、避免氣體卷入、使金屬液平穩(wěn)連續(xù)和準(zhǔn)確地進入直澆道的作用。
2）澆口盆應(yīng)用注意事項見表-13。
表-13澆口盆設(shè)計注意事項
（續(xù)）
7.出氣設(shè)計
1）出氣是澆注系統(tǒng)的一部分，它可以依次保證干凈的鐵液通過受控途徑進入到型腔，從而可以得到符合質(zhì)量要求的鑄件。
2）為保證型腔內(nèi)部的氣體梳理溢出，型腔出氣孔的面積至少要等于阻流截面面積，比較保險的設(shè)計就是出氣面積大于等于直澆道面積。
8.澆注系統(tǒng)設(shè)計項目（見圖8-2）
圖8-2 澆注系統(tǒng)設(shè)計項目圖
9.澆注系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計
（1）澆注時間計算
1)澆注時間理論計算的產(chǎn)用公式是：
式中，t澆為澆注時間（s）；δ為鑄件的主要壁厚（一般指最薄壁厚）（mm）；G件為鑄件凈重總量（不包括澆冒口重）（kg）；f為系數(shù)，一般取值范圍0.6～0.8。
澆注時間與澆注系統(tǒng)的類型、結(jié)構(gòu)，鑄件的澆注質(zhì)量，鑄件的最小壁厚及過熱溫度等有關(guān)，理論計算計算的結(jié)果一般與實際偏差較大，通常不推薦采用式（8-5）計算。
2) 樹脂砂鑄件澆注時間可以通過查圖-3和圖-4的方式確定。
圖-3澆注量與澆注時間關(guān)系圖（有冒口鑄造）
圖-4 澆注質(zhì)量與澆注時間的關(guān)系圖（無冒口鑄造）
（2）靜壓頭高度計算 在澆注過程中金屬液的靜壓頭值是變化的，表-14所列是計算金屬液澆注過程中的平均靜壓頭方式。
表-14 靜壓頭高度計算
（3）速度因數(shù)確定
1)根據(jù)進流位置和澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，速度因數(shù)也不同，具體選擇方式參見圖-5。
2）根據(jù)截面比確定速度因子。截面越封閉，速度因子越低。在圖-6中，指出了最常用的直澆道與內(nèi)澆道截面比例和直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道比例。
3）依據(jù)鑄件高度與總高度來確定不同澆注位置的速度系數(shù)（見圖-7）。
圖-5不同進流位置的速度因數(shù)
圖-6 截面比與速度因子關(guān)系圖
圖-7鑄件高度/澆注高度與速度因子關(guān)系
4）阻流截面積計算。
式中，W為澆注重量（kg）；ρ為金屬液密度（kg/m3），球墨鑄鐵通常取6.9；fv為速度系數(shù)；Hp為平均靜壓頭高度（cm）。
5）內(nèi)澆道尺寸的確定
如果采用扁內(nèi)澆口，為避免出現(xiàn)冷隔，內(nèi)澆道高度依據(jù)澆注溫度確定，長度應(yīng)根據(jù)澆注重量確定,見圖-8和圖-9。
圖-8 澆注溫度與最小內(nèi)澆道高度的關(guān)系
圖-9 澆注質(zhì)量與內(nèi)澆道尺寸關(guān)系
陶瓷過濾器澆注系統(tǒng)設(shè)計
1.鑄造中使用過濾器的優(yōu)點
1）減少鑄件中的非金屬夾雜物，減少鑄件夾渣缺陷。
2）提高鑄件的表面質(zhì)量，減少加工余量，提高鑄件的工藝出品率。
3）提高鑄件的抗拉強度、延伸率、硬度、疲勞強度。
4）改進鑄件可加工性，延長刀具的使用壽命，降低加工成本。
2.過濾網(wǎng)放置位置
過濾網(wǎng)只允許放在開放式澆注系統(tǒng)內(nèi)，其截面比是：A直/A橫/A內(nèi)為1/1.2～2/>2。過濾器在澆注系統(tǒng)中位置根據(jù)鑄件的大小及結(jié)構(gòu)特征，有不同的選擇，具體見表-15。表-15 過濾器在澆注系統(tǒng)中的位置
（續(xù)）
注：1.在設(shè)計過濾網(wǎng)座時，周邊要給出1mm的間隙避免過濾網(wǎng)受熱膨脹破碎。
2.過濾網(wǎng)下面接瓷管的情況，磁管上面的高度（含過濾網(wǎng)上下空間）至少要大于瓷直徑的3倍。
3.澆注質(zhì)量大于10000kg的不推薦使用過濾網(wǎng)。
3.過濾器設(shè)計原則及注意事項
1）在開放式澆注系統(tǒng)中安放，避免金屬液直接沖擊過濾器，愈靠近內(nèi)澆口，過濾凈化效果愈好。過濾器的設(shè)置位置應(yīng)盡量接近鑄件型腔，以保證鐵液進入型腔前的潔凈度。
2）過濾器的設(shè)置應(yīng)盡量避免金屬液豎直方向的沖刷和紊流沖刷，一般不建議直接放置在直澆道上，放在橫澆道上的過濾網(wǎng)不能緊挨直澆道，也不能放在橫澆道端頭。金屬液速度在低于1.5m/s的情況下，可以考慮使用。
3）球墨鑄鐵濾片的有效過濾面積至少為系統(tǒng)阻流截面積的4～6倍?；?/span>
鑄鐵選用15ppi的泡沫過濾網(wǎng)，球墨鑄鐵件選用10ppi的泡沫狀過濾網(wǎng)。
冒口設(shè)計規(guī)范
本規(guī)范適用灰鑄鐵和球墨鑄鐵材質(zhì)的冒口設(shè)計。1.冒口分類（見表-16）
冒口，按照作用可分為補縮冒口和出氣冒口。補縮冒口按照其所在的位置又可分為頂冒口和側(cè)冒口等，出氣冒口一般為扁冒口。球墨鑄鐵件的冒口一般采用補縮冒口，很少采用出氣冒口。表-16冒口分類及其作用和用途
（續(xù)）
（續(xù)）
2.冒口設(shè)計原則
（1）冷卻速度匹配原則 冒口的冷卻速度要與被補縮鑄件部位的冷卻速度相匹配，鑄鐵的冒口不一定要在鑄件全部凝固后才凝固，合理的設(shè)計應(yīng)確保冒口頸在鑄件斷面共晶石墨膨脹之前凝封。
（2）冒口容量原則 冒口要有足夠的金屬液存儲量以向鑄件進行補縮，它包括鑄件的液態(tài)收縮和鑄型壁位移的補償量。
（3）鑄型剛度原則 鑄型剛度是影響鑄件致密程度的主要因素，利用鑄鐵的石墨膨脹特性，選擇剛性好的鑄型條件可有效減少實際收縮值，使鑄件不易產(chǎn)生收縮缺陷。
（4）冒口位置設(shè)置原則
1）冒口應(yīng)盡量靠近熱節(jié)但不能直接放在熱節(jié)上。
2）冒口不能設(shè)置在鑄件重要的加工面、鉆孔部位及受力較大的部位。
3)冒口不應(yīng)設(shè)在鑄件受力部位，防止組織粗大降低鑄件力學(xué)性能。
（5）凝固模擬驗證原則 設(shè)計計算好的冒口應(yīng)在凝固模擬軟件上進行模擬，與冒口相連接的鑄件部位未出現(xiàn)縮松，作為冒口選擇是否符合需要的依據(jù)。
3.冒口補縮設(shè)計
（1）冒口的位置 冒口應(yīng)設(shè)置在補縮通道上，至于鑄件上的哪些補縮通道應(yīng)該設(shè)置冒口，則要視鑄件的結(jié)構(gòu)情況和工藝的合理性而定。
（2）冒口數(shù)量的確定 由于冒口的補縮范圍有限，因此，在同一個補縮通道上可能需要設(shè)置幾個冒口，同一補縮通道上的冒口數(shù)量，則由鑄件補縮區(qū)域確定。同時要注意冒口與冒口互相之間的影響。
（3）冒口的有效補縮距離 冒口的有效補縮距離等于致密的冒口區(qū)（L）和致密的末端區(qū)（L1）之和，冒口的有效補縮距離與鑄件結(jié)構(gòu)、合金成分及凝固特性、冷卻條件有關(guān)。
1) 冒口水平補縮距離。
單面補縮見圖-10。
其中：冒口區(qū)L=4.5T，末端作用區(qū)L1=2.5T。
雙面補縮見圖-11。
圖-10單面補縮
圖-11 雙面補縮
其中：冒口區(qū)L=3T，末端作用區(qū)L1=2.5T。
冷鐵增加末端作用區(qū)見圖-12。
圖-12 冷鐵增加末端作用區(qū)
其中：冒口區(qū)L=3T，末端作用區(qū)L1=2.5T。
2）冒口的垂直補縮距離。冒口的垂直補縮距離可以根據(jù)碳當(dāng)量確定，具體值可參考表-17。
注：d為鑄件被補縮處的壁厚。
（4）冒口大小的設(shè)計 在冒口與鑄件被補縮部位之間有暢通的補縮通道的前提下，還必須保證冒口有足夠的金屬液以補縮鑄件的收縮，但并不是說冒口的尺寸越大越好。所以冒口的尺寸計算既要保證質(zhì)量又要降低成本。冒口的尺寸計算方法很多，常用比例法和模數(shù)法。
1）比例法（見圖-13）。
2）模數(shù)法設(shè)計（模數(shù)計算見附錄）。
這種方法的基本原理就是冒口應(yīng)比鑄件受補縮的部分晚凝固，以冒口中的金屬液補縮鑄件使鑄件致密。就是說鑄件受補縮部分的凝固時間tc、冒口頸的凝固時間tn和冒口的凝固時間tr應(yīng)是依序增大的，即tc<tn<tr。根據(jù)“平方根定律”t=
可得：
圖-13壁厚與冒口尺寸關(guān)系圖
在通常情況下，取Mc∶Mn∶Mr=1∶1.1∶1.2，如果鐵液通過冒口澆入型腔，則Mc∶Mn∶Mr=1∶（1～1.03）∶1.2。3）利用石墨自補縮的鑄鐵件冒口（冒口頸）模數(shù)計算。
鑄鐵的凝固過程中發(fā)生的石墨膨脹，意味著灰鑄鐵和球墨鑄鐵在存在有液態(tài)金屬的全過程中并不是始終處于收縮的。收縮時間（ST）僅占全部凝固時間的一部分。這部分時間表示成凝固時間百分數(shù)，可由圖-14c確定。圖-14的使用方法如下：
在圖-14a中用已知的含碳量，沿平行于碳線的方向移動到與相應(yīng)的w（Si+P）含量相交的點A；畫一條鉛垂線使之與圖-14b中的鑄件模數(shù)相交于B點；由B點向左引一條水平線，與圖-14 c中表示鑄鐵在型中估計溫度線相較于D點；讀出收縮時間（ST）占凝固時間的百分數(shù)。有效冒口頸模數(shù)和冒口由下式（8-8）和（8-9）確定：
（5）冒口補縮液量校核 通過上述方法計算的冒口尺寸符合冒口模數(shù)的要求，但它并不總是能滿足對鑄件截面總的補縮金屬的需要，對此要自始至終進行驗算。驗算步驟如下：
1）計算滿足模數(shù)要求的冒口所能提供的補縮金屬的百分數(shù)（η），即補縮率。一般情況下，其值為：
砂冒口：14%～16%
保溫冒口：20%～25%
圖-14鑄鐵凝固收縮時間參考圖
保溫-發(fā)熱冒口:23%～27%
發(fā)熱冒口：30%～35%
特殊冒口：> 50 %
2）鑄鐵合金的收縮率。收縮率可由圖-14d確定，由B點畫一條水平線與型內(nèi)金屬溫度線相交（該溫度須由澆注溫度來估算，通常低于澆注溫度50℃）。在水平軸上讀出表示成百分率的膨脹率或收縮率（ξ）。由此應(yīng)用式（8-10），可以計算出補縮該截面鑄件所需的冒口質(zhì)量。
冷鐵設(shè)計及應(yīng)用規(guī)范
1.冷鐵的分類
1）按與鑄件實體關(guān)系，冷鐵有外冷鐵和內(nèi)冷鐵之分。
2）外冷鐵又分為直冷冷鐵和隔砂冷鐵。
3）按材質(zhì)冷鐵可以分為鑄鐵冷鐵、石墨冷鐵及其他激冷材料。
4）按冷鐵的用途分為通用冷鐵和專用冷鐵。
2.冷鐵設(shè)置的一般原則
（1）當(dāng)鑄件中熱節(jié)比較分散又難以安放冒口時可設(shè)置冷鐵，以防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等鑄造缺陷。
（2）當(dāng)鑄件厚壁局部需要加速凝固使之與鑄件其他部分同時凝固，或在鑄件的厚壁與薄壁的拐角處有應(yīng)力集中處現(xiàn)象時應(yīng)設(shè)置冷鐵，以防止裂紋和變形。
（3）當(dāng)鑄件的某部位要改善金相組織，可在該處設(shè)置冷鐵。
（4）冷鐵的位置應(yīng)與冒口有一定的
距離，使鑄件凝固時沿著從放冷鐵部位向冒口方向順序凝固。
（5）選擇冷鐵安放的位置時，還要考慮澆注系統(tǒng)及引入位置對鑄件溫度分布和冷鐵作用的影響。
3.鑄鐵直冷外冷鐵設(shè)計
（1）模數(shù)法球墨鑄鐵件鑄鐵直冷外冷鐵設(shè)計（模數(shù)計算見附件1）
1）凝固順序的選擇。①順序凝固，當(dāng)使用冷鐵強烈地激冷模數(shù)較大的鑄件斷面以便能從模數(shù)較小鑄件斷面獲得良好的補縮時，則需以一定的冷鐵將其初始模數(shù)M0縮小到與其相臨斷面的模數(shù)相匹配才能實現(xiàn)順序凝固；②同時凝固，同時凝固的原則是采取工藝措施，盡量減小鑄件各部分之間的溫差，也就是計量使鑄件各部分的模數(shù)相等或相近，使鑄件各部分同時凝固。
2）冷鐵厚度的計算。根據(jù)設(shè)置冷鐵的重量和設(shè)置冷鐵的表面積可以計算出冷鐵的厚度b>0.5a（b為冷鐵的厚度，a為被激冷部位鑄件的壁厚）。但在實踐中一般取冷鐵厚度為鑄件壁厚的（0.5～1.0）倍。
（2）比例法球墨鑄鐵件外冷鐵的設(shè)計 根據(jù)實際冷鐵的使用，多利用線性回歸的方法得出大斷面球墨鑄鐵件上冷鐵厚度選擇原則，見表-17。
表-17 厚斷面球墨鑄鐵用外冷鐵安放位置和冷鐵厚度
（續(xù)）
注：b、b1、b2為冷鐵的厚度；a、a1為鑄件被激冷處的壁厚。
（3）冷鐵改變鑄件斷面模數(shù)的一些通用數(shù)據(jù)（見表-18）
表-18冷鐵改變鑄件模數(shù)的一些通用數(shù)據(jù)
（續(xù)）
（續(xù)）
（4）冷鐵的長度和寬度 在計算和選擇了冷鐵的厚度后，冷鐵的長度和寬度應(yīng)該根據(jù)鑄件放置冷鐵的位置并以便于操作為依據(jù)在通用冷鐵列表里選擇。
（5）冷鐵鋪設(shè)的間隙 理論上冷鐵之間的間隙約等于冷鐵寬度的[插圖]，在生產(chǎn)實際中，根據(jù)經(jīng)驗冷鐵的鋪設(shè)間隙不能大于20mm。
4.內(nèi)冷鐵設(shè)計
一般內(nèi)冷鐵的材質(zhì)都與鑄件材質(zhì)相同，有利于同鑄件熔合。一般在冒口的補縮能力和外冷鐵的冷卻效果不夠時才會采用。最好安放在機械加工能去掉的地方（如鉆孔處），或用于一些壁厚較大又不太重要的鑄件（如汽錘的鐵砧子、打樁錘、吊錘等）。內(nèi)冷鐵的質(zhì)量一般根據(jù)鑄件的質(zhì)量來決定，可按如下公式計算：W=K·G。式中，W為內(nèi)冷鐵的質(zhì)量；G為鑄件的質(zhì)量；K為系數(shù)，與鑄件的大小有關(guān)，其參考數(shù)值列于表-20。表-19質(zhì)量系數(shù)K
注：如果用于鑄筋內(nèi)冷鐵時，可根據(jù)筋板的厚度選取，內(nèi)冷體直徑一般取筋板厚度的一半。
5.隔砂冷鐵設(shè)計
使用直冷外冷鐵使鑄件表面產(chǎn)生白口層或過冷石墨層（尤其灰鑄鐵件），有時又由于激冷過大而引起鑄件產(chǎn)生裂紋。為了避免這種缺陷產(chǎn)生，使用隔砂冷鐵以減緩冷卻速度，防止裂紋產(chǎn)生。隔砂冷鐵的形式和尺寸設(shè)計見表-20。
表-20 隔砂冷鐵設(shè)計
注：冷鐵的長度L和寬度A設(shè)計同鑄鐵直冷外冷鐵的設(shè)計，冷鐵的鋪設(shè)間距為15～20mm。
6.其他激冷材料
（1）石墨塊 石墨塊激冷作用強、重量輕、不生銹且管理方便。但石墨塊成形困難且價格較高，同時易損壞造成回收率不高。石墨塊一般用于直冷冷鐵。
（2）鋼丸砂 在鑄件的厚大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易設(shè)置冷鐵的部位（如鑄件的吊耳處），可采用鋼丸砂進行激冷，以防止鑄件該部位產(chǎn)生縮松或黏砂缺陷。實際中常用拋丸的鋼丸和鉻礦砂按1∶1的配比混合后在鑄件局部適用，效果良好。
（3）一些常用冷鐵材料的數(shù)據(jù)見表-21。
表-21 常用冷鐵材料在20℃時數(shù)據(jù)（依據(jù)J坎貝爾的材料數(shù)據(jù)）
（續(xù)）
摘自現(xiàn)代鑄鐵技術(shù)