如何设计补贴的外形优化方案？

有时冒口的补缩距离不够，增加一个冒口又有些浪费，这时可用补贴来解决。

1.水平补贴的设计

水平补贴是指在冒口的临近部位设置的楔形凸肩，在铸件与冒口之间形成逐渐过渡，进而使冒口的补缩距离增加。水平补贴的计算可按图5⁃9和公式（5⁃2）计算。

式中 M_Ⅰ⁃Ⅰ——Ⅰ⁃Ⅰ截面处凸肩体的模数；

M_N——冒口颈的模数；

a、b、c——Ⅰ⁃Ⅰ截面处的几何参数。

水平补贴的最大长度为冒口模数的4.7倍，其他结构尺寸参数可根据冒口的模数计算，其中补贴的宽度a等于冒口的宽度。

2.垂直补贴的设计

铸件在垂直方向的高度超出补缩距离时，为了获得致密组织的铸件，需要设置补贴，如图5⁃10所示（铸件为板状铸件，即铸件的宽厚比≥5∶1）。对于图5⁃10c，补贴高度区及其以下区域的定义有不同的观点，对于补贴区有观点将该区域定义为冒口区，也有观点认为该区域相当于冒口，其下面才是冒口区+末端区；而补贴区以下的区域，对应的观点是该区域属于末端区，另一观点是该区域属于冒口区+末端区。作者倾向于后一种观点，即补贴区相当于冒口，其下段为冒口区+末端区，但是补贴毕竟不能等同于冒口，可将冒口区+末端区的总高度加以调整，即适当缩减其高度。

垂直板状铸件的补贴设计还可以由图5⁃11来进行，该图是以壁厚≤100mm的碳素钢的顶注试验为参照获得的结果，可供垂直补贴设计时参考。

图5⁃9 水平补贴的尺寸结构

M_R—冒口的模数

图5⁃10 垂直补缩距离及补贴

a）h_C=冒口补缩距离 b）h_C＞冒口补缩距离 c）用补贴消除缩松区 h_C—铸件高度 a—补贴厚度 δ—铸件厚度

图5⁃11 板状铸件的补贴值

对于杆状类铸件、底注以及合金钢铸件等情况，可以进行修订和补偿，见表5⁃8。设计时以补偿后的补贴值为准。

表5⁃8 垂直补贴的补偿

注：使用时，以图5⁃11查得的数据a乘以补偿系数，所得值即为补偿后的补贴值。

3.绘图法

绘图法也称为滚圆法或热节圆补贴设计法，如图5⁃12所示。绘图法的步骤是首先画出需要补缩的热节处热节圆直径d_y，然后向冒口方向滚出第一个圆，其直径是d₁，圆心位于前一个圆的圆周上，即直径为d_y的圆周上，依此类推直到做出最后一个圆。各个圆的量值符合以下关系：d₁=（1.05～1.10）d_y，d₂=（1.05～1.10）d₁。图中铸件的内外圆补贴的做法是相同的，同时该方法不仅适用于垂直补贴设计，也适用于水平补贴和其他补贴的设计。滚圆的扩大系数一般取1.05，特殊情况下可适当加大，直到1.10。补贴的外轮廓以滚圆的轨迹为基础，进行几何规定，并圆滑过渡。(www.xing528.com)

图5⁃12 绘图法求解补贴尺寸

a）外圆的求解 b）内圆的求解

4.经验法

表5⁃9是根据实践经验总结出的几种补贴设计方法，可供设计时参考。

表5⁃9 补贴尺寸的设计

5.补贴设计的实例

实例1 筒形铸件的补贴设计如图5⁃13所示。设计步骤如下：首先按比例绘出含加工余量的铸件图，以初始厚度δ=35mm，查图5⁃11得到铸件在高h_C＜85mm的范围内不需要设置补贴，那么需要设置补贴的高度范围是440mm-85mm=355mm，即从铸件的顶端开始向下355mm范围以内都是需要设置补贴的。以δ=35mm和h_C=440mm继续查图5⁃11，查到的补贴厚度是a=64mm。

图5⁃13 筒形铸钢件的补贴设计

实例2 某汽轮机喷嘴室的补贴设计如图5⁃14所示。其材料牌号为ZG20CrMoV。首先按比例绘制出含加工余量的铸件图，将铸件的圆周壁视作板状体，铸件的壁厚取δ=70mm，以壁厚中心处为准做圆，其周长即为铸件的高度h_C，h_C≈500mm。以h_C和δ的数据差图5⁃11，得到a=28mm，由此确定了补贴顶部厚度，底部补贴为0，该两点确定后用圆滑过渡的弧线相连，确定补贴的轮廓曲线。

图5⁃14 喷嘴室的补贴设计

实例3 阀体法兰的补贴设计如图5⁃15所示。首先按比例绘制出含加工余量的铸件图，然后绘制热节圆，根据铸件的结构，需要考虑尖角及凹槽效应，所绘制的热节圆如图5⁃15所示，直径为ϕ65mm。以热节圆直径作为法兰的壁厚，按杆状件处理，宽厚比约为1∶3，查表5⁃8得补偿系数为1.25。取中心处直径ϕ=420mm，周长为1318.8mm，则折合高度为659.4mm，取660mm。查图5⁃11得a=37mm，乘以补偿系数得a=46.25mm，取47mm。最终补贴设计结果如图5⁃15所示。为了增加冷端的激冷效果，在法兰的底部设置冷铁。

图5⁃15 法兰的补贴设计

实例4 燃气轮机中气缸的补贴设计如图5⁃16所示。首先按比例画出含加工余量的铸件图，用外冷铁形成人工末端区，计算出末端热节圆直径为δ=33mm，中心线弧长约670mm，查图5⁃11得a=76mm。从两侧顶面开始沿内圆向下做等分线，两线间隔弧长为100mm，等分线与圆心相连，按12%斜度计算出等分线上各补贴厚度点分别为76mm、64mm、52mm、40mm、28mm和16mm。沿各补贴厚度点做曲线，并圆滑过渡。

图5⁃16 燃气轮机中气缸补贴设计

实例5 套筒的补贴设计如图5⁃17所示。首先按比例绘制出加工余量，在铸件的底部设置2#和3#冷铁各一圈，并且两者位置错开，设置后可适当减少铸件高度h_C。以δ=30mm，h_C≈1000mm查图5⁃11得a=97mm。由于铸件是底注式浇注系统，因而需要补偿，查表5⁃8取补偿系数为1.25，补偿后的补贴厚度=97mm×1.25=120mm。

图5⁃17 套筒的补贴设计