冒口及冒口设计
第21卷 第6期青海大学学报(自然科学版) V ol. 21N o. 6 2003年12月Journal of Qinghai University Dec. 2003
冒口及冒口设计
牛金霞
(青海大学机械系, 青海西宁 810016)
摘要:阐述了冒口补缩的机理, 对其评定方法和冒口补缩的效率进行了分析, 并提出了冒口设计的具体方案。
关键词:冒口; 补缩; 设计
中图分类号:TG24 文献标识码:A 文章编号:1006-2003) 06-H ole University , X ining 810016,China )
the fill shrink mechanism of hole collar , analyses the assess method of hole collar shrink and efficiency problem about hole collar fill shrink , gives the material project to de 2sign it.
K ey w ords :hole collar ; fill shrink ; design
灰口铸铁和球墨铸铁在冷却、凝固过程中, 既有液态收缩, 又有凝固收缩。当铸件在液态下和凝固期收缩得不到补偿时, 就会在铸件内形成“缩孔”或“缩松”而使铸件报废。因而在铸件凝固过程中必须尽量消除“缩孔”或“缩松”现象的发生。目前, 常用的方法:一是以直接补注法消除缩孔, 二是用冒口补缩铸钢件[1]。满足直接补注法的成形铸件一般很少, 并要求在很多地方同时进行补注, 而且在向结晶层补充时, 钢液不允许中断。进行连续补注时, 则要求补注的速度应与铸件结晶的速度相同, 这在生产条件下很难做到
。因此实际生产中通常采用冒口进行补缩。冒口是铸型内用以储存金属液的空腔, 习惯
[2,3]上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。
1 冒口的补缩机理
1. 1 冒口与铸件间的补缩通道 用冒口消除钢铸件缩孔, 必须在钢铸件最
后凝固部分安置合适冒口, 并保证顺序凝固, 其目的是使钢铸件凝固过程中
始终有“补缩通道”, 该通道保证冒口中的钢液能补缩到铸件中去。影响补缩
通道的主要因素是铸件的厚度及铸型吸热速度。如何保证补缩通道的畅通
是控制钢铸件凝固过程的一个重要问题, 也是冒口设计中必须考虑的问题。
因此, 钢铸件中放垂直补贴或水平补贴来控制钢铸件凝固, 使冒口中补缩钢
液能顺利流到补缩处[4], 以保证补缩通道畅通。图1所示铸件的凝固过程,
由于凝固是从下部和壁的两侧同时推进, 这样在液相线之间便形成向冒口方
向扩张的夹角Φ(补缩通道扩张角) 。在向着冒口张开的扩张角Φ范围内的
合金都处于液态, 且始终与铸件凝固区域保持畅通, 形成补缩通道, 使冒口中
的合金液在重力作用下能畅通无阻的补充到铸件凝固区域中去。图1 铸件的补缩通道
补缩通道扩张角的大小和方向决定着补缩通道畅通与否和畅通的程度, 扩张角Φ越大, 通道越畅收稿日期:2003-05-09
) , 女, 青海西宁人, 助教。作者简介:牛金霞(1978—
第6期 牛金霞:冒口及冒口设计 61通、补缩越容易。扩张角Φ的大小, 主要取决于铸件凝固方向上温度梯度的大小, 向着冒口方向的温度梯度增加, 扩张角Φ也增大, 向着冒口张开, 则补缩通道畅通, 促使铸件顺序凝固。为保证补缩通道畅通, 合金种类不同, 所需的最小温度梯度也不同。温度梯度越大, 则Φ角越大, 反之Φ角越小。
1. 2 冒口的有效补缩距离 冒口作用区与末端区长度之和称为冒口的有效补缩距离, 简称冒口补缩距离, 它是确定冒口数目的依据。通常用冒口补缩距离长度与铸件厚度的倍数表示冒口的有效补缩范围。不同类型的冒口都有一定的补缩范围。冒口补缩距离一般指长度方向但也包括周围各方向。如果铸件被补缩部分超出冒口的有效补缩范围, 就会产生缩孔或缩松。反之, 如果被补缩部分小于有效补缩范围, 铸件虽然是致密的, 但未充分发挥冒口的补缩作用, 补缩效率低。
1. 3 工艺补贴的应用 。由于铸件结构或铸造工艺的不便, 难以在中部设置暗冒口, , , 况且增大冒口会使大量液流经过内浇道, 的一侧增加工艺补贴的方法, , 2 2. 1 。若选择不当, 不仅不能消除铸件, , 加重冒口附近的疏松, 同时也给清理、切割等工序带来不便。因此, 确定冒口位置应遵循以下原则:[3]①冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁; ②冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位; ③冒口不应设在铸件最重要、受力大的部位, 以免组织粗大降低强度; ④冒口位置不要选在铸造应力集中处, 应注意减轻对铸件的收缩阻碍, 以免引起裂纹; 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, 零件外观好; ⑦不同高度上的冒口, 应用冷铁将各个冒口的补缩作用范围隔开。
2. 2 冒口尺寸的确定 合理的确定冒口尺寸, 是铸造生产中重要的工艺。目前还缺少一种适合各种合金、各种结构铸件、被大家公认的确定冒口尺寸的方法, 通常采用在特定条件下根据生产经验总结出来的近似计算法。
2. 2. 1 比例法 以冒口根部直径d m 为冒口的主要尺寸, 以铸件热节圆直径d y 为确定d m 的主要依据, 即在不同的情况下用d y 乘以一定的比例系数求得d m , 冒口的其它尺寸由d y 决定。计算参见文献资料[1,4,5]。
2. 2. 2 公式计算法
根据冒口的设计原则, 从冒口应比铸件凝固得晚以及冒口应有足够的金属液补偿铸件凝固时的收缩这两条原则出发, 推导出通用的冒口方程式。
2. 2. 3 模数法 随着铸造工艺计算机辅助设计的发展, 模数法被认为是一种方便可行的方法。其基本原理:第一, 冒口凝固时间应大于或至少等于铸件被补缩部位的凝固时间; 第二, 冒口必须具有足够的合金液补充铸件热节处的体积收缩[4]。计算时, 通常根据基本条件一确定冒口尺寸, 用基本条件二校核冒口的补缩能力, 检查是否有足够的合金液补偿铸件的收缩。
2. 3 评定冒口补缩作用的方法 冒口尺寸确定的是否可靠、合理, 冒口是否发挥了有效补缩作用, 应进行生产实践的检验和评定。
2. 3. 1 比较铸件实收率 铸件实收率又称为工艺出品率, 常用下式表示:
α=×100%G c +G r +G g
式中:α———铸件实收率(%) ; G c 、G r 、G g ———分别为铸件、冒口和浇注系统的重量(kg ) 。
上式计算结果与生产中规定的同类铸件的实收率相比较, 若小于经验数据, 则冒口尺寸过大, 应予以适当减小。反之, 则说明冒口尺寸偏小, 应适当加大或采取其它工艺措施提高冒口的补缩效率。
2. 3. 2 测定冒口凝固时间变化率 评定宽结晶温度范围合金铸件的冒口有效补缩作用的方法是测定冒口的凝固时间变化率F , 可按下列公式确定:
青海大学学报 第21卷62
F r =ττ×100%τb
式中:τ——冒口单独浇注的凝固时间(min ) ; τ——冒口与铸件组合浇注的凝固时间(min ) s —b —
如果冒口在单独与铸件组合浇注时, 所使用的合金种类、浇注温度和铸型材料等工艺条件均相同, 当τs >τb 时, F r 为正值, 则冒口的补缩通道未被截断, 冒口中的热量流向铸件, 冒口具有一定的补缩作用, F r 增大, 冒口给予铸件的热量增多, 冒口的补缩作用就大; 当τs
冒口与铸件的模数比是否在正常的范围内。当的比值不在正常范围内时, 比较冒口凝固时间变化率M c
F r 没有意义。此外, 在评定冒口补缩作用时, 。
2. 4 提高冒口补缩效率的方法 生产成本都具有重要意义。间, ]3 。任何形状的铸件都可以在需要的地方装置冒口对铸件进行补缩, 简化了浇注过程, 方便了生产。但也有其弊端, 例如:铸件在凝固的同时, 冒口中的钢液亦要结晶, 使其中一部分金属不能利用, 所以冒口的实际尺寸远大于铸件中被补缩的缩孔尺寸; 同时冒口中不能利用的凝固金属还需要从钢铸件上割除, 所有这些非生产性的消耗, 有待进一步研究和探讨。参考文献:
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(责任编辑 李渝珍)