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铸造工艺学浇注系统设计 ;浇注系统:铸型中液态金属流入型腔的通道。
组成:浇口杯(又称外浇口)、直浇道、横浇道、内浇道等。;浇注基本要求:
(1)内浇道设置符合铸件凝固原则和补缩方法;
(2)在规定的浇注时间内充满型腔;
(3)提供必要的充型压头,保证铸件轮廓、棱角清晰;
(4)使金属液流动平稳,防止紊流、卷气、金属氧化;
(5)具有良好的阻渣能力;
(6)金属液进入时速度不可过高,避免飞溅、冲刷;
(7)保证金属液面有足够的上升速度,避免夹砂结疤、浇不足;
(8)不破坏冷铁、芯撑的作用;
(9)金属消耗量小,并容易清理;
(10)减少砂型体积,造型、制模简单。;1 流体力学原理
(1)帕斯卡(Pascal)定律
在一个静止而且相互连通的容器中,在一给定的水平面上各点的压力是相等的;等于该给定的水平面到液体顶部的垂直距离乘以液体的密度,加上外部压力。
P = Pα+ρg·h
(2)伯努利(E.Bernoulli)方程(能量守衡定律)
在封闭系统中移动的流体由三种不同的能量组成:
位能:用位于距离基准面以上h处的单位体积的流体来表示(基准面位置任选)。EP=h(m);压能:作用在单位体积流体上的压力来表示。
EP=p/ρ(m)
p 质量压力(kg/m2)
ρ金属密度(kg/m3)
动能:用单位体积的流体以速度v移动时的动量来表示。EK=v2/2g
定理:在一封闭系统中,单位质量流体所携带的总能量是不变的,但其位能、压能、动能可以互换。
h1+p1/γ+V12/2g=h2+p2/γ+v22/2g 伯努利方程
(3)托里拆利(Torricelli)定理
是伯努利方程的一种特殊应用。在一个流体高度h不变的容器里在i=0的水平面处有一孔口,应用伯努利方程
(i=h): (v=0, 为大气压力);(h=0):
得: 这是设计浇注系统最重要的根据之一。
(4)连续流动定律
单位时间内流经任一给定断面的系统时,流体的体积是常量。因此流速随着横截面积减少而增大。
A1v1=A2v2
(5)雷诺(Reynold)数
Re=Dvρ/η。 Re2320为紊流。;(2)充型伴随着热作用、机械和化学作用。
(3)浇注过程???不稳定流动。
(4)合金液在浇注系统中呈紊流状态。
(5)多相流动。固相杂质、气相夹杂。;1 浇口杯的作用
(1)承接来自浇包的金属液,防止飞溅和溢出,便于浇注
(2)减轻对直浇道底部和侧壁、型腔的冲击。
(3)分离渣及气泡,防止其进入型腔。
(4)增加充型压头。;2 结构形式
漏斗形(bush):挡渣效果差,结构简单。
盆(池)形(basin):挡渣效果好 ,结构复杂,操作相对复杂。;水平涡流
水平旋涡是危害浇口杯全面发挥功能的重要原因。
原因:水平各向流量不均衡造成流速方向的偏斜。;若忽略金属粘度的影响,视液态金属为理想流体,浇口杯内液态金属应满足动量矩守衡:
Mvr=常量。
式中:M 距离直浇道中心为r处的质点的质量
v M点的切线速度
r M点距离直浇道中心的距离。
漏斗形等压自由液面的形成:一旦出现水平旋涡,越靠近中心,M质点的离心加速度越高,重力加速度和离心加速度的合成加速度越接近于水平,根据流体力学原理,等压面垂直于总加速度方向。等压面逐步由水平过度到垂直,形成中空的大气压力表面。
对铸件质量的影响:卷气、渣沿等压面进入型腔。 ;影响水平旋涡的因素
水平旋涡使气体 、渣等沿等压面进入型腔。
浇口杯中金属流股的水平分速度越大,越容易形成水平旋涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关:
a 浇口杯内液面的深度:液面深度超过直浇道上口直径的 5倍时可基本消除水平旋涡。
b 浇注高度:浇包嘴离浇口杯越高,越容易产生水平旋涡。;c 浇注方向:逆向浇注较顺向浇注为佳。;生产中减轻水平旋涡的措施
a 用大深度浇口杯;
b 用拔塞等方法,使浇口杯内液面达到一定深度时再向直浇道注入;
c 浇口杯底部安放筛网砂芯等;;d 在浇口杯底部设置堤坝,形成垂直旋涡。;2 )垂直旋涡的挡渣作用
金属液沿斜壁流下,由于流速的减低和流向的改变,形成垂直方向的旋流。;1 直浇道的功用
(1)引导金属进入横浇道、内浇道或型腔。
(2) 提供足够的压头。
真空吸气理论:等截面直浇道附近型
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