消失模铸造工艺详解：浇注系统与冒口设计
消失模铸造工艺详解：浇注系统与冒口设计
消失模铸造是一种重要的铸造工艺，其浇注系统的设计对于铸件的质量和生产的顺利进行至关重要。本文详细介绍了消失模铸造工艺中的浇注系统设计原则、注意事项以及冒口设计方法等内容，涵盖了多个方面的技术细节，如浇注位置选择、热应力控制、金属液充型速度、冒口设计等。这些内容对于从事或研究铸造工艺的专业人士具有较高的参考价值。
消失模铸造浇注系统设计原则
消失模铸造浇注系统的设计原则需要考虑多个因素，以确保铸件的质量和生产的顺利进行。以下是一些关键的设计原则：
共性要求
- 选择合适的浇注位置：
- 有利于铸件凝固，减少缺陷。
- 浇注位置应便于金属液顺利充型和气体排除。
- 避免热应力和收缩应力：
- 浇注系统的设计应避免在铸件上产生过大的热应力和收缩应力，以防止铸件变形和开裂。
- 保证金属液平稳充型：
- 浇注系统应确保金属液能够平稳、快速地充满型腔，避免涡流和紊流。
- 控制金属液上升速度：
- 金属液在浇注时的上升速度应适中，既不过快也不过慢，以保证铸件的质量。
- 排气和挡渣：
- 浇注系统应具备有效的排气和挡渣功能，以排除浇注过程中产生的气体和杂质。
- 提高出品率：
- 浇注系统的设计应尽可能提高出品率，减少金属液的消耗。
- 均衡引入与流通效应
- 浇注系统的设计应考虑金属液的均衡引入和流通效应，以保证铸件各部分的质量均匀。
消失模铸造的特殊要求
- 考虑模样分解汽化：
- 消失模铸造过程中，模样会分解汽化产生大量气体。浇注系统的设计应考虑到这一点，避免气体对金属液充型产生不良影响。
- 控制浇注温度：
- 浇注温度应根据铸件材质和模样材料来确定。对于浇注温度高于模样热分解温度的铸件，浇注系统的设计应特别注意防止模样燃烧和产生碳渣缺陷。
- 保证金属液充型速度：
- 金属液的充型速度应与模样受热液化气化分解的速度相匹配，以防止金属液断流或产生孤立液相。
- 优化浇注系统结构：
- 浇注系统的结构应尽可能简单，以减少金属液的消耗和便于清理。同时，浇注系统应保证金属液在充型时流程最短、阻力最小。
- 考虑铸件形状和大小：
- 浇注系统的设计应根据铸件的形状和大小来确定。对于大型铸件，可能需要采用多个内浇道或采用底注式浇注系统。
具体设计原则
- 直浇道设计：
- 直浇道应有足够的充型压力头，以保证金属液能够迅速充满型腔。
- 直浇道的截面积应根据铸件的大小和浇注速度来确定，避免过大或过小。
- 内浇道设计：
- 内浇道的位置、方向和个数应根据铸件的凝固顺序和补缩要求来确定。
- 内浇道的截面积应适中，以保证金属液能够平稳充型并避免涡流和紊流。
- 冒口设计：
- 冒口应设置在铸件的热节部位或最后凝固部位，以提供足够的液态金属补给。
- 冒口的尺寸和形状应根据铸件的材质和大小来确定。
- 浇注系统形式选择：
- 浇注系统的形式应根据铸件的形状、大小和浇注要求来选择。常用的浇注系统形式包括底注式、顶注式和阶梯式等。
浇注系统设计注意事项
消失模铸造液态金属充型过程中，泡沫模具液化、气化后退让出的空间被金属液所占据，如果金属液充型速度慢，造成时间间隙过大，会造成局部坍塌的危险。充型速度快，造成泡沫模具不能充分气化，在型内增加残渣量。
浇注系统设计要考虑模样束摆放方便。同时满足干砂能充填到模样的所有内腔，避免模样平面处于水平位置，以及盲孔处于水平或向下的位置。
要考虑模样束摆放方便，同时还要考虑到干砂能填充到模样的全部内腔，避免模样的平面处于水平位置，以及盲孔处于水平或向下的位置。
浇注系统的设计要保证模样束的整体强度。尤其是上涂料以后要保证内浇道等连接处能够承受搬运、振动填砂等操作。
浇注系统多采用简单的形式。以缩短金属液流经的距离。直浇道与铸件模样之间的距离不可过小，以保证液态金属充型过程中不因砂型温度升高而使模样变形。
金属液压头应超过金属前沿的界面气体压力，以防呛火。
浇注系统的设计应该有利于金属液顺利平稳地充满整个型腔，而且具有较强的减渣、挡渣和排气能力；具有良好的集渣、存气功能，以获得无缺陷的优质铸件。
有一定厚度的吃砂量，在真空后才能产生足够的强度，形成坚硬的铸型，使其能承受住金属液静压力的作用。
合理选择浇注系统的形式。按金属液注入铸型（或内浇道）的位置不同，浇注系统可分为：顶注；上（侧）注；下1/3处浇注；阶梯浇注；底注；下雨淋浇注。
根据铸件的特点、金属材质和分析浇注后，瞬间产生的气体量与真空泵的有效抽气量的大小，合理选择浇注系统。
可采用水力学公式计算：
内浇道截面积 Σ = G / (M×0.31×√Hp) 。
- 用快速浇注的方法，其t浇注时间，可按下式计算：
中小型铸铁件：t = K₁(³√G + √G)
大型铸铁件：t = K₁³√G
铸钢件：t = c√G
K₁是修正值，一般取0.85左右 。
- 消失模铸造大多采用封闭式浇注系统。生产中内浇道总截面积、横浇道总截面积和直浇道截面积之比为：铸铁：ΣF内 : ΣF横 : ΣF直 = 1 : 1.1 : 1.2 铸钢：ΣF内 : ΣF横 : ΣF直 = 1 : 1.2 : 1.4
消失模浇注冒口的设计原则
冒口的基本功能
冒口在消失模铸造中起着至关重要的作用，其主要功能包括：
补缩作用：提供足够的金属液，以补偿铸件在凝固过程中产生的收缩，防止缩孔和缩松缺陷。
排气排渣作用：收集液态或气态热解产物，如模样气化产生的气体和杂质，防止其进入铸件内部，减少夹渣、气孔等缺陷。
冒口的设计原则
- 位置和数量
- 位置：冒口应尽量设置在铸件的热节部位或最后凝固部位，这些地方是缩孔和缩松缺陷容易产生的区域。同时，冒口的位置还应考虑铸件的凝固顺序，确保冒口中的金属液能够有效地补缩铸件。
- 数量：冒口的数量应根据铸件的大小、形状和材质来确定。对于大型或复杂形状的铸件，可能需要设置多个冒口以确保补缩效果。
- 尺寸和形状
- 尺寸：冒口的尺寸应足够大，以容纳足够的金属液来补偿铸件的收缩。冒口的体积通常根据铸件的模数、凝固系数和补缩效率来计算。
- 形状：冒口的形状应有利于金属液的补缩和气体的排出。常用的冒口形状包括球形、半球形、圆柱形等。球形冒口因其体积与表面积的比例较大，凝固时间较长，且制造方便，因此在消失模铸造中得到了广泛应用。
- 凝固时间
- 冒口的凝固时间应长于铸件上被补缩部位的凝固时间，以确保冒口中的金属液能够在铸件凝固过程中持续补缩。
- 补缩通道
- 在凝固补缩的全过程中，补缩通道必须保持畅通。这意味着冒口与铸件之间的连接部分应设计得合理，避免在凝固过程中产生缩孔或缩松缺陷，从而阻断补缩通道。
- 其他因素
- 冒口的设计还应考虑铸件的材质、浇注温度和浇注速度等因素。例如，对于浇注温度较高的铸件，冒口的设计应考虑到模样气化产生的气体对金属液充型的影响。
在实际应用中，冒口的设计往往需要根据具体情况进行调整和优化。例如，对于某些特殊形状的铸件，可能需要采用特殊的冒口设计来满足补缩和排气排渣的要求。
冒口设计的优化
采用热冒口技术：通过加热冒口或采用其他方法提高冒口的温度，可以延长冒口的凝固时间，提高补缩效果。
采用复合冒口：将不同形状和尺寸的冒口组合在一起使用，可以更好地适应铸件的凝固顺序和补缩要求。
数值模拟技术：利用数值模拟技术对冒口设计进行模拟和分析，可以预测铸件的凝固过程和补缩效果，为冒口设计的优化提供有力支持。
冒口设计方法
冒口的设计方法有4种，模数法、周界商法、收缩模数法（铸铁用）、热节圆法。
模数法
模数法是冒口设计中的一种基本方法。它基于铸件的模数（即铸件某部分的体积与其表面积之比）来进行设计。具体步骤如下：
- 确定铸件的材质和重量，以及关键几何热节。
- 计算热节处的模数Ms（有效模数）。
- 根据铸件材质选择相应的常数km（如灰铸铁、球墨铸铁等有不同的km值）。
- 计算补缩冒口的模数Mr（Mr = km × Ms）。
- 通过模数计算冒口的补缩距离、直径、高度等参数。
模数法的优点在于它考虑了铸件的几何形状和材质，能够较为准确地预测冒口的补缩效果。
周界商法
周界商法是一种通过计算铸件的质量周界商Qm来优化冒口设计的方法。质量周界商Qm反映了铸件的结构和壁厚分布情况。在周界商法中，冒口的尺寸和位置会根据Qm值进行调整，以确保良好的补缩效果。这种方法通常与数值模拟软件结合使用，以更精确地预测和优化冒口设计。
收缩模数法（铸铁用）
收缩模数法特别适用于铸铁件的冒口设计。它基于铸件在凝固过程中的收缩特性来进行设计。收缩模数法考虑了铸件的收缩时间、收缩量以及自补缩效果等因素。通过计算铸件的收缩模数（即收缩时间对应的模数），可以确定冒口的尺寸和位置，以确保在铸件凝固过程中提供足够的液态金属补给。这种方法有助于提高铸件的质量和减少缺陷。
热节圆法
热节圆法是一种常用的球铁件冒口设计方法。它基于金属液凝固时产生的收缩缺陷特点，在模型腔壁上设置一个或多个具有收缩作用的发热节圆。这些发热节圆会在凝固过程中产生热量，通过控制金属液的凝固速度和收缩方向来优化冒口设计。热节圆法的具体步骤如下：
- 确定冒口位置，通常设置在球铁件上部或侧面。
- 根据球铁件的体积和凝固收缩率等参数计算合适的冒口尺寸。
- 在模型腔壁上设置发热节圆，其直径和数量根据球铁件的大小和形状确定。
- 利用数值模拟或实验方法模拟球铁件的凝固过程，评估冒口设计的合理性并进行调整。
热节圆法的优点在于它能够有效地控制金属液在凝固过程中的收缩缺陷，提高产品质量。
浇铸过程及工艺
消失模负压干砂铸造的浇注过程是金属液充型、同时泡塑模具气化消失的过程。浇道始终要充满金属液，若不充满，由于涂料层强度有限，极容易发生型砂塌陷以及进气现象，造成铸件缺陷。一般铸件应该控制金属液从底部往上返流，也就是底浇，有利于平稳充型，模型不容易形成很大的空腔。由于负压真空的吸力和重力作用，金属液充型速度很快，立浇道横截面积不宜太大。消失模铸造的金属液浇铸与传统砂型铸造的金属液浇铸有所不同：传统砂型铸造采用敞口式，而消失模铸造采用负压封闭式，而且必须是在浇口杯以下封闭。主要是牵扯不让空气进入浇道，浇铸时浇口杯必须保持充满状态。金属液进入模塑模具，其开始液化燃烧，并气化消失，金属液前端短距离形成暂时的空腔。为防止金属液高温辐射熔化其它铸件模型，而形成的空腔（导致塌砂），所以设计金属液充型的速度和泡塑模型消失的速度大致相同。立浇道（内浇口）的位置选择整箱铸件最低位置，一般立浇道截面为40mm×40mm。为防止铸件与浇道的距离过近，铸件模型高温下变形和熔化，浇道适当离铸件模型远一点。横浇道截面一般尺寸50mm×50mm。浇铸时一定要设浇口杯，浇口杯的上口直径大于200mm，下口截面积和立浇道相等，高度约300mm。浇口杯的主要作用是积蓄金属液，使立浇道瞬时充满，金属液稳定快速下流。浇注时注意调节和控制负压真空度在一定波动范围内，浇注完毕后保持在一定负压状态下约10～20min，负压停止、金属液冷凝后出箱。
浇铸时的注意事项
浇注金属液时要稳、准、快。瞬时充满浇口杯，并且快速不断流，吨金属液在约一分钟左右，只要不溢出浇口杯为止。浇注开始就要大口浇注，旋转钢包倾倒金属液时，要稳，要快，浇注时快速连续浇注不得断流。始终保持浇口杯成充满状态。如果同整箱铸件的金属液断流，会吸进空气，有可能造成塌砂现象或者铸件增多气孔的问题，导致铸件报废。由于负压真空的吸力作用，砂箱内金属液热量会散失一部分，泡塑模型气化时也需要热量消耗，所以金属液温度比传统砂型铸造的温度要略高30℃～100℃。