浇注系统设计原则与实践——以Y38—1型滚齿机支架铸件为例

1.铸铁件浇注系统的计算

在此只介绍中、大型铸铁件浇注系统的计算方法。

（1）浇注时间的计算 对于10t以下铸铁件，浇注时间t可用式（4-1）计算。

式中 m——铸件浇注重量（kg）；

d——铸件主要壁厚（mm）；

S₁——因数。一般情况下，取S₁=2。

对于10t以上的铸铁件（或小型薄壁件），浇注时间t可用式（4-2）表示。

式中 m——铸件浇注重量（kg）；

S₂——因数，它与铸件壁厚的关系见表4-1。

表4-1 因数S₂与铸件壁厚的关系

注：小型薄壁件，S₂取1.6～2.2mm（d≤15mm）。

但是按式（4-2）计算出的浇注时间是否合理，还要通过型腔内液面上升速度所允许的最小值来验算。由于型腔内液面上升速度太慢易使铸件产生冷隔、浇不到等缺陷，上升速度太快又促使缩孔、冲砂等缺陷形成，因此需采用式（4-3）进行验算。

v=h/t （4-3）

式中 v——金属液面上升的速度（mm/s）；

h——铸件浇注时的高度（mm）；

t——浇注时间（s）。

灰铸铁件允许的最小上升速度见表4-2。

表4-2 灰铸铁件允许的最小上升速度

（2）内浇道横截面积的计算 适当的浇注时间t是通过合理地确定内浇道横截面积来实现的，而内浇道横截面积又是利用水力学公式来计算的，即

式中 ΣA_内——内浇道总截面积（cm²）；

m——铸件浇注总重量（kg）；

t——浇注时间（s）；

h_P——平均压头（cm）；

μ——流量系数。

式（4-4）中的h_P和μ值确定方法如下：

1）确定平均压头h_P及最小剩余压头h_m。通常按直浇道压力所做的功来计算平均压头。

由图4-42可以看出，金属液通过内浇道注入型腔的速度，与浇道中液面和型腔内液面的高度差及与压头都有关。压头越高，金属液注入型腔的速度越快。其平均压头可用式（4-5）求出。

式中 h_P——平均压头（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）。

图4-42 平均压头和剩余压头计算示意图

金属液注入型腔的位置不同，平均乐头的值也不同，有下面i种情况：

①顶注时：h_n=0，h_p=h_o。

②底注时：h_n=h_c，。

③中注时：，。

为了保证金属液能充满离直浇道最远、最高的铸件部位，铸件最高点离浇口盆（杯）内液面的高度必须有一最小的h_m（剩余压头，h_m=h₀-h_n）。当铸件尺寸较大，壁厚较薄，以及在金属液流程较远的情况下，需用压力再验算h_m是否满足要求，此时可用式（4-6）对h_m值进行计算。

h_m≥Stanα （4-6）

式中 S——铸件最远、最高点至直浇道中心线的水平距离（mm）；

α——压力角（°），按表4-3确定。

表4-3 压力角α的最小值

（续）

例4-1 某圆环形铸件的浇注方案如图4-43所示。要保证金属液充满铸型，试求最小h_m的值。

解 由图4-43可知S=1000mm，铸件壁厚度为20mm，查表4-3得最小压力角α=7°～8°，取α=8°代入式（4-6），得h_m=1000mm×tan8°=140mm。

2）确定流量系数μ值。μ值的大小与浇注系统的结构、浇注方式、浇注温度、型砂透气性有关，但基本上依铸型复杂程度而定。铸件形状越复杂、壁越薄，对金属液流动的阻力就越大，μ值越小。μ值的大小可按表4-4选取。

图4-43 环形铸件的浇注方案

表4-4 流量系数μ值

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。但在计算之前，往往还不知道浇冒口的重量，只有铸件的重量。因此，在浇注系统和冒口尺寸未确定之前，浇冒口重量可按表4-5予以估算。

表4-5 灰铸铁件浇冒口重量占铸件毛坯重量的百分数（质量分数，%）

注：球墨铸铁按20%～40%（质量分数）取，可锻铸铁按50%（质量分数）取。

例4-2 某灰铸铁件重量为900kg，平均壁厚为15mm，单件生产，干型浇注，试求内浇道总截面积。该铸件铸型图如图4-44所示。

图4-44 灰铸铁件铸型图(www.xing528.com)

解 内浇道总截面积按式（4-4）计算，即

式中 m、μ、t、h_P各值计算如下：

①铸件浇注总重量m。按表4-5查得铸件毛坯重量为900kg，单件生产时浇冒口重量占铸件毛坯重量的20%～25%，取20%，即

m=（900+900×20%）kg=1080kg

②流量系数μ。按表4-4查得干型、中等阻力，则μ=0.48。

③浇注时间t。对于浇注重量为1080kg（10t以下）的铸铁件可按式（4-1）计算，通常取S₁=2，即

再验算一下金属液在铸型内上升速度v是否合适，按式（4-3）计算，即

由表4-2查得，当铸件壁厚为10～40mm时，最小v值为10～20mm/s，故金属液上升速度是合适的。

④平均压头h_P。铸件为中间浇注，h₀=70cm，故。

⑤内浇道总截面。将以上各值代入式（4-4）得

（3）确定浇注系统各组元的比例 内浇道总截面积确定之后，根据不同的合金和不同的铸件特点，选择浇注系统各组元截面积的比例关系。但浇注系统各组元截面积的比例关系都是根据经验来确定的。表4-6所列各组元截面积的比例关系仅供选用时参考。

根据各组元的截面积，选择直浇道、横浇道和内浇道截面的形状，确定其几何尺寸。

表4-6 灰铸铁件浇注系统各组元截面积的比例

计算出来的浇注系统尺寸，若经生产验证不合理，则可进行修改和完善，使其成为适合生产实际的浇注系统。

例4-3 某厂生产的Y38—1型滚齿机支架，材质为HT150灰铸铁，加工精度要求较高，铸件重量为35kg，轮廓尺寸为460mm×370mm×160mm，手工造型、干型干芯、转包浇注。铸件浇注位置和分型面等如图4-45所示。铸件除顶部ϕ100mm凸台处壁较厚（30mm）外，主要壁厚为12～15mm，有7个砂芯，属于形状较复杂的薄壁铸件。

Y38—1型滚齿机支架铸件壁厚较均匀，铸件牌号低，宜采用同时凝固原则设计浇注系统。选择的铸件浇注位置和分型面一致，中间分型，金属液从分型面注入。如果采用顶注、底注或其他注入方式，则会使浇注系统结构复杂。

为了减轻铁液对砂型的冲刷力，减少直浇道的吸气和卷入夹杂物，可采用半封闭式浇注系统和扁而宽、喇叭形的内浇道，以降低铁液的充型速度。厚壁部分处于浇注位置的顶部，需要冒口补缩，以防止缩孔和缩松。

图4-45所示方案基本上满足了工艺要求。但生产初期虽设有顶冒口，但当浇注温度为1300～1370℃时，ϕ100mm凸台缩松严重，后改用ϕ60mm压边冒口，压边宽度（缝隙）为10mm，四周用4块冷铁，使整个铸件更接近同时凝固，且排气畅通，消除了缩松，铸件致密。

图4-45 Y38—1型滚齿机支架铸件工艺简图

半封闭式浇注系统内浇道是阻流截面（ΣA_内最小），按式（4-4）计算其截面积，即

m、μ、t、h_P诸值的计算如下：

①通过阻流截面的铁液重量m。铸件重量为35kg，压边冒口浇注系统重量约为5kg，则

m=（35+5）kg=40kg

②浇注时间t。薄壁铸件的浇注时间可按计算，其中查表可得S₂=2。

③流量系数μ。按表4-4选得干型、中等阻力μ=0.48。

④确定平均压头h_P。根据式（4-5），h₀是作用于内浇道的压头，等于上砂型高与浇口杯高之和，故h₀=26mm+7mm=33cm。

将以上各值代入得

半封闭式浇注系统各组元截面积比可取为

ΣA_内∶ΣA_横∶ΣA_直=1∶1.4∶1.2

⑤薄壁复杂铸件还需验算型腔内铁液液面上升速度。根据式（4-3）：，此值大于表4-2所列的v=10～20mm/s的数值，是较合适的。

⑥核算最小剩余压头h_m。根据式（4-6）h_m≥Stanα可得

h_m=330mm-164mm=166mm

直浇道中心到铸件最高最远的距离S=282mm，则压力角α为

可见，α值远大于表4-3中的经验值，故可得到轮廓清晰的铸件。

工厂实际使用的内浇道是两道，ΣA_内=3.85cm²，与计算值近似，但横浇道截面积比内浇道截面积大得多，这样有利于挡渣并降低液流速度，以减轻对砂型和砂芯的冲刷作用。

2.铸钢件浇注系统的计算

铸钢由于熔点高、易氧化和流动性差，故要求金属液流动平稳、快速浇注，通常采用开放式浇注系统。

另外，铸钢件收缩大，容易产生缩松、缩孔、裂纹和变形等缺陷，因此多按顺序凝固原则设计浇注系统。高大铸件采用阶梯式注入，一般铸件从分型面或通过冒口引入。

大型铸钢件通常采用漏包浇注。浇注时间可按式（4-7）计算。

式中 t——浇注时间（s）；

m——铸件重量（kg）；

n——注孔数量（个）；

q——钢液流量（kg/s），由表4-7查得。

表4-7 钢液流量

计算出的浇注时间t是否合适，也需用式v=h/t来验算液面上升速度。

表4-8是钢液在型腔内上升速度的推荐值，在设计浇注系统时可供参考。

表4-8 钢液在型腔内上升速度的推荐值

根据所选用的包孔计算包孔的总截面积，再按比例确定其他各浇道的总截面积。

ΣA_孔∶ΣA_内∶ΣA_横∶ΣA_直=1∶2∶（1.8～2）∶（1.8～2）

当设计阶梯式浇注系统时，应避免钢液过早地通过上层内浇道进入型腔，而是要等到型腔中钢液液面上升到一定高度后再进入。这种从下至上逐层进入钢液的顺序，是靠金属液面（直浇道与型腔中的金属液面）在浇注过程中保持一定的压头差来达到的。