铸铁件浇注系统

第三节　铸铁件浇注系统

在确定一个铸铁件的铸造工艺时，必须设计合理的浇注系统。浇注系统的设计包括类型的选择、结构、引入位置的确定和浇注系统各组元截面积尺寸的计算。这里主要介绍浇注系统各组元截面尺寸的确定。

浇注系统各组元截面尺寸的确定，首先要确定浇注时间，再确定浇注系统中阻流截面的尺寸，再根据浇注系统各组元的比例关系确定其他组元的截面尺寸。

一、浇注时间的计算

浇注时间是指每个铸件的适宜浇注时间，即铸件在此时间内浇完，可以减少铸造缺陷。目前，确定浇注时间都采用在一定条件下得到的经验公式来计算。

（1）小型铸铁件浇注时间的确定。对于重量小于450kg，壁厚为2.5～15mm，形状复杂的灰铸铁件，浇注时间可按下式计算。

式中t——浇注时间（s）；

　m——浇入型内金属液总重量（包括浇冒口）（kg）；

　s——与铸件壁厚有关的系数，可由表3-5查出。

表3-5　系数s和铸件壁厚的关系

（2）中、大型铸铁件浇注时间的确定。对于重量在10t以下的铸铁件，浇注时间可用下式计算。

式中t——浇注时间（s）；

　m——铸件浇注包括浇冒口的总重量（kg）；

　d——铸件的主要壁厚；

　s₁——系数，一般s₁=2。

（3）重型铸铁件浇注时间的确定。对于重量在10t以上的铸铁件，其浇注时间可采用下式计算。

式中t——浇注时间（s）；

　m——铸件浇注包括浇冒口的总重量（kg）；

　s₂——系数，它与铸件壁厚的关系列于表3-6。

表3-6　系数s₂与铸件壁厚的关系

按上式求得的上升速度如低于允许的最小上升速度时，就要缩短浇注时间或调整铸件浇注位置，使其达到或高于允许最小上升速度。铸铁件允许的最小上升速度见表3-7。

表3-7　灰铸铁件允许的最小上升速度

调整举例：工具磨床上台面，长度1160mm，高度55mm，壁厚15mm，是平板类铸件，包括浇注系统铁液总重量65kg，水平浇注，按公式t=s₁计算浇注时间。20s。把此浇注时间代入液面上升速度公式，求得υ≈2.8mm/s，低于允许的最小上升速度（8～10mm/s）。由于此件快浇有困难，因此将此件铸型倾斜10°浇注，如图3-28所示。

图3-28　上台面铸件的倾斜浇注

验证倾斜浇注时的金属液面上升速度。此时铸件高度h变成h₁,h₁=h+1160sin10°，即h₁=257mm,并可求出v≈13mm/s。基本上满足了对上升速度的要求。

板状类铸件倾斜浇注，不但可以提高金属液面的上升速度，还可以防止夹砂缺陷的产生。

二、内浇道横截面积的计算

浇注时间的长短是由浇口截面积来控制的，要得到合适的浇注时间，就必须计算出合理的浇口截面积。内浇道的截面积可以使用水力学公式计算得出。即

式中ΣF_内——内浇道总截面积（cm²）；

　m——包括浇冒口的金属液总重（kg）；

　t——浇注时间（s）；

　μ——流量系数；

　h_p——平均压力头。

图3-29　平均压力头和剩余压力头计算示意图

1．确定平均压力头h_p及最小剩余压力头h_m

通常是按直浇道压力头所做的功来计算平均压力头。

从图3-29可看出，作用在内浇道的压力头，由于型内金属液面的升高，反压力不断增加而减小。所以使用平均压力头h_p来计算浇口截面。平均压力头可用下列公式求出。

h_p=h₀－h_n²/2h_c

式中h_p——平均压力头（cm）；

　h₀——内浇道至浇口杯液面的高度（cm）；

　h_c——铸件的高度（cm）；

　h_n——内浇道以上的铸件高度（cm）。

金属液注入型腔的位置不同，平均压力头的值也不同，有三种情况：

顶注时：h_n=0　　　　　h_p=h₀

底注时：h_n=h_c　　　　　h_p=h₀－h_c/2

中间注入时：h_n=h_c/2　　　h_p=h₀－h_c/8

为了保证金属液能充满型腔中离直浇道最远最高的部位，铸件最高点距浇口杯液面的高度必须有一最小的h_m（剩余压力头h_m=h₀-h_p）。当铸件尺寸较长，壁厚较薄，以及金属液流程较远时，需用保险压力角来验算h_m是否大于浇注铸型要求的最小压力头H_小。

H_小=stanα

式中s——铸件最远最高点至直浇道中心线的水平距离（mm）；

　α——保险压力角（°）按表3-8确定。

表3-8　保险压力角α值（°）

如h_m≥H_小，则铸件可以浇满；反之，铸件则浇不满，将出现缺肉缺陷。

2．确定流量系数μ值

μ值的大小受浇注系统的结构、铸型的复杂程度的影响。铸件形状愈复杂，壁愈薄，对流动的阻力愈大，μ值愈小。μ值的大小可按表3-9选取，如考虑其他因素的影响，可用表3-10的数值加以修正。

3．铸件浇注重量m值的确定

m值是包括浇冒口重量在内的铸件浇注总重量。但在计算浇注系统内浇道截面之前，还不知道浇冒口的重量，只知道铸件的重量。这时浇冒口的重量可按表3-11估算。

表3-9　流量系数μ值

表3-10　流量系数μ的修正值

表3-11　浇冒口重量占铸件重量的比例

4．计算内浇道截面积举例

如图3-30所示灰铸铁端盖件。铸件毛重为114kg，壁厚为20mm，单件生产，浇注温度1330℃，湿型，直浇道高度为350mm，两个内浇道开在分型面上，切线方向引入，型内设出气冒口。计算内浇道总截面积。

内浇道总截面积按下式计算

式中m、μ、t、h_p各值计算如下。

（1）铸件浇注总重量m。按表3-11查得铸件重量104kg，单件生产的浇冒口重量占铸件重量的20%～25%，可取20%，即m=（104+104×20%）kg=124.8kg。

（2）流量系数μ。按表3-9查得湿型阻力小，μ=0.5，再按3-10修正：

1）浇注温度升高，μ值+0.05；

2）有出气冒口，μ值+0.05；

3）有两个内浇道，阻力增大，μ值-0.05。

因此，μ=0.5+0.05+0.05－0.05=0.55

（3）浇注时间t。对于浇注124.8kg铁件，可按计算。取

再验算金属液在铸型内上升速度是否合适。

υ=h/t=280/26≈11（mm/s）

由表3-7查得，当铸件壁厚为10～40mm时，最小υ值为10～20mm/s，故金属液上升速度是合适的。

（4）平均压力头h_p铸件为侧中间浇注，h₀=35cm，h_n=12.5cm，h_c=28cm。

（5）内浇道总截面积。将以上各值代入

图3-30　端盖铸件工艺简图

三、浇注系统各组元比例

内浇道的总截面积确定之后，根据合金和铸件的特点，选定浇注系统各组元的比例关系。即可求出其他组元的截面积。各组元截面比例如下：

封闭式：大、中型铸件　　　　　 ΣF_内:ΣF_横:ΣF_直=1:1.2:1.4

中、小型铸件　　　　　　　　　 ΣF_内:ΣF_横:ΣF_直=1:1.1:1.15

薄壁件ΣF_内:　　　　　　　ΣF_横:ΣF_直=1:1.1:1.11

半封闭式：中、小件　　　　　 　ΣF_内:ΣF_横:ΣF_直=1:(1.3～1.5):(1.1～1.2)

大型铸件ΣF_内:　　　　　　ΣF_横:ΣF_直=1:1.5:1.1

砂型铸造，最小的内浇道截面积为0.4～0.5cm²，低于此值易产生浇不到缺陷。直浇道的直径一般在φ15～100mm范围，小于φ15mm，会给浇注、充型带来困难。

四、横浇道和直浇道截面积的计算

横浇道和直浇道的截面积，可根据选定的各组元的比例关系，和已计算出的内浇道的总截面积，依次计算出来。

根据各组元的截面积，再选择直浇道、横浇道和内浇道的截面形状，确定其几何尺寸。

五、浇口截面形状的选择及几何尺寸的确定

浇注系统各组元截面积确定之后，可根据铸件结构特点，选择浇口的数量和截面形状，进而从表3-12、表3-13分别查得内浇道、横浇道和内浇道的截面几何尺寸。

表3-12　内浇道截面尺寸

表3-13　横浇道和直浇道截面尺寸mm