铸造工程基础教学大纲

（5）内浇道位置最好选择在铸件平面或凸出部位，以利于铸件的清理和打磨。

（6）内浇道的形状多为扁矩形。其宽度和厚度之比应按铸件壁厚和所要求的凝固形式而定。一般情况下，尽量采用薄的内浇道，其厚度为铸件壁厚的1/2～2/3。在铝、镁合金铸件生产中，对某些局部厚大部位，需要内浇道直接起补缩作用，内浇道结构形状及厚度则不受此限制。

5．液态金属通过过滤装置的流动情况 在浇注系统中常用的过滤方法有： （1）过滤网过滤 铸造生产中常使用的过滤网是将耐热纤维织成的过滤网布（网眼尺寸为2×2mm），用数层叠放在横浇道的搭接面上。而在铝、镁合金铸件生产中也常使用厚度为0.2～0.5mm的钢片冲制而成的过滤网，过滤网可将大部分杂质阻留于过滤网前。同时由于液流通过网孔时遇到过滤网的阻力和断面突然扩大，使流动速度降低，也有利于使一部分已挤过网孔的气泡和杂质上浮而阻留于过滤网背后的浇道中。过滤网的放置对挡渣效果影响很大，一般过滤网有如图1—8所示的几种放置位置。

为了避免减少浇道的有效截面积，安置过滤网处的浇道应局部放大。浇道截面积局部放大程度，可用下式计算：

F扩?F原a b （1—1）

式中，F扩为浇道扩大部分的截面积；F原为浇道原来的截面积；a为过滤网的孔洞率；b为过滤网的通过效率，孔小而密的过滤网，b=90%，孔大而稀的过滤网b=80%。

（2）过滤片过滤 国内外近年来采用泡沫陶瓷过滤片滤除合金液中的杂质，对滤除非金属夹杂物效果很好，当采用细孔泡沫陶瓷时，甚至可以滤除1μm的夹杂物。过滤片孔隙尺寸越小，厚度越大，过滤压力越小，效果就越明显。

泡沫陶瓷过滤片适用于多种铸造方法，如砂型铸造、金属型铸造和低压铸造等。过滤片通过以图1-9所示的两种方式安放在浇注系统中的各个部位。金属液流经过滤片时，增加了局部阻力。为了保证一定的充型速度，应将放置过滤片处的截面积扩大或增加直浇道的高度以提高静压头。

（图1-9 泡沫陶瓷过滤片在浇注系统中的放置位置） 第二节 浇注系统的设计 一、浇注系统的类型及应用

浇注系统类型的选择是正确设计浇注系统的重要问题之一。它与铸件的合金成分、结构、大小、技术要求和生产要求有关。

1．按液态金属导入铸件型腔的位置分类

（1）顶注式（又称上注式）浇注系统 以浇注位置为基准，金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统称为顶注式浇注系统，常见的顶注式浇注系统如图1-10所示（图1-10 顶注式浇注系统）。顶注式浇注系统的优点是：

1）液态金属从铸型型腔顶部引入，在浇注和凝固过程中，铸件上部的温度高于下部，有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用。

2）液流流量大，充型时间短，充型能力强。

3）造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。

顶注式浇注系统最大的缺点是液体金属进入型腔后，从高处落下，对铸型

冲击大，容易导致液态金属的飞溅、氧化和卷入气体，形成氧化夹渣和气孔缺陷。

顶注式浇注系统适用于质量不大、高度不高、形状简单的中小铸件，铝合金和镁合金铸件在使用顶注式浇注系统时必须考虑液流在型腔内下落高度不能太大。

（2）底注式（又称下注式）浇注系统 内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统，这种浇注系统的优点是：

1）合金液从下部充填型腔，流动平稳。

2）无论浇道比多大，横浇道基本处于充满状态，有利于挡渣。 这种浇注系统的缺点是： 1）充型后铸件的温度分布不利于自下而上的顺序凝固，削弱了顶部冒口的补缩作用。

2）铸件底部尤其是内浇道附近容易过热，使铸件产生缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。

3）充型能力较差，对大型薄壁铸件容易产生冷隔和浇不足的缺陷。 4）造型工艺复杂，金属消耗量大。

底注式浇注系统的这些缺点，通过有关工艺措施可加以解决，例如采用快浇和分散的多内浇道，底部使用冷铁，用高温金属补浇冒口等措施，常可收到满意的结果。

底注式浇注系统广泛应用于铝镁合金铸件的生产，也适用于形状复杂，要求高的各种黑色铸件。常见的底注式浇注系统如图1-11所示。其中b）型牛角式浇注系统造型工艺复杂，只有在铸造中小型质量要求较高的铸件时，用一般的底注式难以解决时，才考虑使用。

（图1-11 底注式浇注系统） （3）中注式浇注系统 这种浇注系统的液态金属引入位置介于顶注和底注之间（图1-12），其优、缺点也介于顶注与底注之间。它普遍应用于高度不大、水平尺寸较大的中小型铸件，在铸件质量要求较高时，仍应控制合金液的下落高度即下半型腔的深度。采用机器造型生产铸件时，广泛使用中注式浇注系统。此时多采用两箱造型，内浇道开在分型面上，工艺简单，操作容易。（图1-12 中间注式浇注系统）

（4）阶梯式浇注系统 在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式浇注系统（图1-13）。结构设计合理的阶梯式浇注系统应有以下优点：金属液自下而上充型，充型平稳，型腔内气体排出顺利。充型后上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的补缩。充型能力强，易避免冷隔和浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。（图1-13 阶梯式浇注系统）

阶梯式浇注系统的主要缺点是：造型复杂，有时要求几个分型面，要求正确的计算和结构设计，否则容易出现上下各层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象，或底层进入金属液过多，形成下部温度高的不理想的温度分布。阶梯式浇注系统适用于高度大的大中型铸钢件、铸铁件。在铝合金、镁合金铸造生产中为了提高顶部冒口中金属液的温度，增强补缩作用，也可采用两层阶梯式浇注系统（即底层充填铸件，上层充填冒口）。

（5）缝隙式浇注系统 合金液由下而上沿着整个铸件高度开设的垂直缝隙状内浇道，平稳地进入型腔，这种浇注系统称为缝隙式浇注系统（图1—14）。缝隙式浇注系统的优点是：

1）液流充型过程十分平稳，不仅不会产生新的氧化夹渣，而且有利于熔渣

上浮于立筒和铸件顶部的冒口中。

2）在理想情况下，由缝隙进入型腔的金属液每增加一层，其温度都比下一层高，从而建立了类似顶注式的温度分布，有利于铸件自下而上的顺序凝固，有利于上部冒口的补缩。

缝隙式浇注系统的缺点是消耗液体金属多，工艺出品率低，浇道的切割既麻烦又费工。

缝隙式浇注系统广泛应用于轻合金铸造中，尤其对于缩松倾向较大的镁合金铸件来说，它是常用的浇注系统类型之一。但由于切割困难、在铸钢件、铸铁件生产中较少应用。（图1-14 缝隙式浇注系统）

2．按浇注系统各单元断面积比例分类

浇注系统按直浇道、横浇道及内浇道断面积的比例关系，可分为收缩式、扩张式和半扩张式三种。

（1）收缩式浇注系统 直浇道、横浇道和内浇道的断面积依次缩小（即F直＞F横＞F内）的浇注系统称为收缩式浇注系统。液态金属在这种浇注系统中流动时，由于浇道截面积越来越小，流动速度越来越大，从内浇道进入型腔的液流，流动速度很大，对型壁产生冲击，易引起喷溅和剧烈氧化。但此种浇注系统在充型的最初阶段直至整个充型过程，都保持充满状态，金属液中的渣子易于上浮到横浇道上部，避免进入型腔。此外，这种浇注系统所占体积较小，减少了合金的消耗。这种浇注系统主要用于不易氧化的铸铁件。

（2）扩张式浇注系统 直浇道、横浇道和内浇道截面积依次扩大的浇注系统（即F直＜F横＜F内）称为扩张式浇注系统。扩张式浇注系统的特点和收缩式恰恰相反，其主要优点是金属液在横浇道和内浇道中流速较慢，在进入型腔时流动平稳。不足之处是横浇道在充填初期不易充满，在开始阶段浮渣作用较差，易氧化的铝合金和镁合金要求液流平稳，大、中型铸件一般都采用扩张式浇注系统。

（3）半扩张式浇注系统 F直＜F横＞F内，而且F内＞F直的浇注系统叫半扩张式浇注系统。其优缺点介于扩张式与收缩式之间，液流比较平稳，充型能力和挡渣能力比较好，适合于一般小型、结构简单铸件。

在浇注系统设计中，其浇道比对铸件质量有较大的影响，所以正确选择浇道比也是浇注系统设计中一个重要内容。在生产实践中，对浇道比的选择已积累了不少经验，也有不少专著文献。但由于铸件结构、生产工艺等具体条件不同，很难归纳出一个行之有效，简单易行的确定方法。有关资料和设计手册也列举了不同合金、不同结构铸件的浇道比，可供选择时参考。

二、浇注系统的尺寸计算

在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。目前大都采用水力学近似公式或经验公式计算出浇注系统的最小截面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比，确定各单元的尺寸和结构。

1．按流体力学公式计算浇注系统

以流体力学为基础的计算方法，是把合金液视作普通流体，浇注系统视为通道，对于扩张式浇注系统，其最小断面积为直浇道底部的横断面积。如果以浇口杯中的合金液面为一端，直浇道出口处为另一端，在两个断面之间应用伯努力方程则可推导出计算浇注系统最小断面积的公式为：

Fmin?G/0.0443??????Hp （1-2）

式中，G为名充填铸型的液体金属重量（kg）；F为直浇道出口处的断面积（cm2）；μ为流量消耗系数；τ为浇注时间（s）；?为液体金属的密度（g/cm3）；Hp为平均计算静压头（cm）

对于收缩式浇注系统，其最小断面积为内浇口的截面积，用伯努力方程也可推导得到以上计算公式，按此公式，仔细确定式中各因素的数值，即可算出浇注系统的最小截面积。

（1）G和?的确定 在计算的铸件确定以后，?即已确定。铸件图上一般已标出了铸件的重量，再加上浇注系统和冒口的重量即为G值。但此时浇注系统和冒口尚未设计出，可根据经验对铸件重量乘以适当的系数来求得。对铝镁合金、铸钢件G值一般为铸件重量的2～3倍，铸铁件为1.1～1.4倍。

（2）流量系数μ值的确定 μ是合金液在充填浇注系统和铸件型腔的过程中，由于遇到各种摩擦阻力、水力学局部阻力和合金液与铸型的热作用、物理－化学作用等的影响，引起液流速度下降，流量消耗的一个修正系数。影响μ值的因素很多，难于用数学计算方法确定，一般都按生产经验和参考实验结果选定。铸铁和铸钢件的流量系数在0.25～0.50之间选取。对于航空铝、镁合金铸件所用的扩张式浇注系统，其μ值可在0.3～0.7之间选取。实际铸造时可根据铸件合金种类、浇注温度和铸件结构选择。

（3）浇注时间τ值的确定 合适的浇注时间应根据铸件的具体结构、合金种类和铸造工艺方法来确定。有关资料中列举了大量的计算浇注时间的经验公式和图表可供设计时选用。这些公式大部分不很完善，铸铁等不易氧化的合金铸件，主要依据铸件重量来定。而航空产品铝合金和镁合金铸件常以液面在型腔中适宜的上升速度为确定浇注时间的基本依据。

（4）平均计算静压头Hp的确定 金属液平均计算静压头依简单的水力学推导可得出如下公式：

P2Hp?H?2C （1-3）

式中，H为内浇道以上至浇口杯中合金液面的高度（cm）；P为内浇道以上型腔高度（cm）；C为铸件型腔的总高度。

在确定了μ、τ及Hp 之后，就可用公式（1-3）求出浇注系统的最小截面积（如计算收缩式浇注系统，最小断面积应是内浇道出口处的断面积），再按已选定的浇注系统各单元断面积之比以及各单元的结构形式即可初步确定浇注系统的具体尺寸。由于在最初计算时预定的G、τ的数值是估算值，并且各单元断面积的实际比例与选定的也有出入，所以计算结果还需经过验算和调整。

2．用反推法确定浇注系统截面尺寸 对铝、镁合金类易氧化的合金铸件的生产实践证明：内浇道的位置、数量、断面形状和大小对铸件质量影响很大，采用上述方法，有时不能满足实际生产的要求。因此，在生产实践的基础上成功地总结出利用“反推法”来确定浇注系统各单元的尺寸。所谓“反推法”，就是根据铸件的具体生产工艺、首先确定内浇道的数量及其断面积的大小，然后根据内浇道的总断面积和已选定的浇道比，再确定其它单元的尺寸和结构，其具体步骤如下：

1）根据铸件结构特点，选择浇注系统的类型和结构形式。

2）根据合金种类、铸件结构特点和生产工艺等具体情况，凭经验确定内浇道的数量和总断面积。一般都根据现场生产经验数据，通过归纳和总结，制定出表格形式，供设计同类铸件的浇注系统时选用。各种资料列举的表格很多，此处