【正文】 。5. 校核冒口補(bǔ)縮能力。D. 鑄件模數(shù)的計(jì)算 鑄件結(jié)構(gòu)有的簡(jiǎn)單，有的復(fù)雜。復(fù)雜鑄件總是由簡(jiǎn)單幾何體與其相交節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成。所以，只要掌握簡(jiǎn)單幾何體和其相交節(jié)點(diǎn)的模數(shù)計(jì)算方法，對(duì)任何復(fù)雜鑄件均可應(yīng)用模數(shù)法計(jì)算出冒口尺寸。 各種熱節(jié)點(diǎn)的模數(shù)計(jì)算方法： 1）測(cè)定熱節(jié)中心和平板中心的凝固時(shí)間 設(shè)鑄件平板壁厚為T，凝固時(shí)間為τ，熱節(jié)中心處凝固時(shí)間為τj。擬訂工藝之前，要進(jìn)行澆注試驗(yàn)測(cè)定其凝固時(shí)間，故應(yīng)用較少。 2）熱節(jié)圓當(dāng)量板（或桿）法 把熱節(jié)部位視為以熱節(jié)圓直徑為厚度的板或桿件，見表358。 3）用一倍厚度法求熱節(jié)模數(shù) 如圖3516所示，溫度測(cè)定試驗(yàn)表明，離熱節(jié)處一倍壁厚以外的溫度，基本與壁體的溫度相同。因此，以圖示的陰影區(qū)作為計(jì)算熱節(jié)模數(shù)的依據(jù)。此外還有其他方法。對(duì)于齒輪輪緣和輻板間形成的T形熱節(jié)所進(jìn)行的分析計(jì)算表明：一般情況下，一倍厚度法所得模數(shù)值稍大，熱節(jié)圓當(dāng)量桿法所得模數(shù)次之，用扣除散熱面積法所得模數(shù)略小?？偟膩?lái)說(shuō)，用上述不同方法計(jì)算出的模數(shù)值相近，皆能滿足工藝設(shè)計(jì)的精度要求。 舉例： 壓實(shí)缸體鑄鋼件，簡(jiǎn)圖如圖3517所示。分區(qū)計(jì)算模數(shù)如下： 缸底：直徑φ400mm，側(cè)面為非冷卻面，可視為140mm的板件，M=d/2=7cm； 帽狀部分視為板件，厚100mm，M=5cm； 缸體主壁部分：視為厚120mm的板件，M=6cm； 上部平板部分：厚80mm，板件，M=4cm； φ120mm孔的四周部分：視為板件，厚80mm，M=4cm； 熱節(jié)：缸體主壁與斜壁相交處，熱節(jié)圓φ180mm，視為厚180mm的當(dāng)量板，M=d/2=9cm。三次方程法三次方程法是模數(shù)法的延伸 ， 主要用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中。 原理 ： 補(bǔ)縮時(shí)冒口中的金屬液不斷進(jìn)入鑄件，冒口體積Vr和模數(shù)Mr逐漸減小。相對(duì)地，鑄件體積Vc和模數(shù)Mc不斷增大，理想的冒口設(shè)計(jì)應(yīng)使補(bǔ)縮終了時(shí)的冒口模數(shù)和鑄件模數(shù)相等，即保證冒口和鑄件凝固時(shí)間相同。這樣的冒口才是最節(jié)約的。據(jù)此有 （Vr－εVc）/Ar=（Vr－εVc）/Ac ε——合金的體收縮率； Ar、Ac——冒口、鑄件補(bǔ)縮終了時(shí)的散熱表面積。 對(duì)普通冒口；近似地認(rèn)為冒口散熱表面積在補(bǔ)縮過(guò)程中無(wú)變化。 對(duì)不同形式的冒口，都可把冒口體積和表面積化為冒口幾何尺寸的函數(shù)。例如，對(duì)圓柱形明冒口有： Vr=πBdr2/4，Ar=πdr2/ （B+1/4）。 B是冒口高度hr與直徑dr之比（B=hr/dr）。 把上述關(guān)系代入（359）中得 dr3－K1Mc dr2－K2Vc=0 （3510） KK2——常數(shù)，與冒口形式和合金體收縮ε有關(guān)。 對(duì)圓柱形冒口 K1=4[（B+1/4）（1+ε）/B］， K2=4ε/πB。 公式（3510）就是計(jì)算冒口直徑dr的三次方程。 　 3. 補(bǔ)縮液量法基本原理是建立在兩點(diǎn)假定基礎(chǔ)上： ①假定鑄件凝固層增長(zhǎng)速度與冒口的相等； ②假定冒口內(nèi)用的金屬液體積（縮孔體積）為直徑d0的球。 這樣，當(dāng)冒口高度和直徑相等時(shí)，鑄件中最大凝固層厚度為壁厚的一半，依假定①，冒口中凝固層厚度也為鑄件厚度之半，因而，冒口中縮孔球直徑d0等于冒口直徑與鑄件厚度之差，見圖3518。d0=DrT Dr=T+d0 （3511） 式中 Dr——冒口直徑； T——鑄件壁厚。 該方法還認(rèn)為：直徑為d0的球體積應(yīng)等于鑄件（被補(bǔ)縮部分）的總體收縮容積。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，理論上，冒口中補(bǔ)縮球的體積應(yīng)包括冒口本身的體收縮容積，而式（3512）中未計(jì)入此值，可見這種計(jì)算方法，從假定到推算都是很粗略、有一定誤差的。但實(shí)際應(yīng)用中冒口高度都大于其直徑，故安全系數(shù)足夠大，補(bǔ)償了計(jì)算的誤差。根據(jù)一些工廠實(shí)踐，使用效果良好，簡(jiǎn)單易算。 3. 比例法比例法是在分析、統(tǒng)計(jì)大量工藝資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)出的冒口尺寸經(jīng)驗(yàn)確定法。我國(guó)各地工廠根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納出冒口各種尺寸相對(duì)于熱節(jié)圓直徑的比例關(guān)系，匯編成各種冒口尺寸計(jì)算的圖表。詳見有關(guān)手冊(cè)。比例法簡(jiǎn)單易行，廣為采用。 現(xiàn)以常見的輪形鑄鋼件（如齒輪、車輪、皮帶輪、摩擦輪和飛輪等）為例，介紹用比例法確定冒口尺寸的方法、步驟（見圖3519）。 根據(jù)零件圖尺寸，加上加工余量和鑄造收縮率作圖（最好按1：1），量出或算出熱節(jié)圓直徑dy（應(yīng)考慮砂尖角效應(yīng)）。 （1）冒口補(bǔ)貼 按下列經(jīng)驗(yàn)比例關(guān)系確定 d1=（～）dy R1=R件+dy+（1～3）mm R2=（～1）dy δ=5～15mm （2）冒口尺寸 用下述比例關(guān)系計(jì)算： 暗冒口寬 B=（～）dy 明冒口寬 B=（～）dy 冒口長(zhǎng) A=（～）B （3）冒口補(bǔ)縮距離L=4dy，當(dāng)兩冒口之間距離超過(guò)此值時(shí)，應(yīng)放冷鐵或設(shè)水平補(bǔ)貼。 （1）輪轂補(bǔ)貼 依下列比例關(guān)系確定，輪轂補(bǔ)貼比輪緣補(bǔ)貼略小。 d1=（～）dy r的值待d1值確定后，按圖作出。 （2）冒口尺寸 當(dāng)輪轂較小時(shí)用一個(gè)冒口。 冒口直徑D=φ2－（15～20）mm，φ2是輪轂外徑。 冒口高度 H=（2～）d1+r 當(dāng)輪轂直徑較大，需要設(shè)兩個(gè)或更多的冒口才比較節(jié)約時(shí)，冒口尺寸應(yīng)按輪緣冒口的確定方法計(jì)算。 由于各地區(qū)、各工廠的生產(chǎn)條件不同，所給出的經(jīng)驗(yàn)比例也不完全一致。參照應(yīng)用時(shí)要注意生產(chǎn)條件、鑄件類型、合金成分等條件盡量一致。 3. 鑄件工藝出品率的校核經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，各種鑄鋼件的工藝出品率如表3510所示，可供校核之用。 計(jì)算出的鑄件工藝出品率若大于表3510中的數(shù)值，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的冒口可能偏小；反之，可能偏大。應(yīng)用普通冒口時(shí)，應(yīng)視不同情況加以調(diào)整。采用比較簡(jiǎn)便的冒口計(jì)算方法時(shí)，容易出現(xiàn)偏差。顯然，采用補(bǔ)縮效率高的冒口類型會(huì)導(dǎo)致高的工藝出品率。表359中的數(shù)據(jù)并非不許超越的?？梢灶A(yù)料，隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)管理水平的提高，鑄件的工藝出品率會(huì)逐漸提高的。上述四種冒口計(jì)算法中，比例法使用最簡(jiǎn)便，但比例系數(shù)范圍較寬，需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能準(zhǔn)確地選擇比例系數(shù)。相對(duì)地，模數(shù)法比較科學(xué)。除此之外，有關(guān)文獻(xiàn)還介紹了其他計(jì)算法，均可供設(shè)計(jì)中參考。第三節(jié) 鑄鐵件實(shí)用冒口的設(shè)計(jì) 一、鑄鐵的體收縮 灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過(guò)程中，由于析出石墨而體積膨脹，且膨脹的大小、出現(xiàn)的早晚，均受冶金質(zhì)量和冷卻速度的影響，因而有別于其他合金。以球鐵為代表，其凝固過(guò)程可分為：一次收縮（primary contraction）、體積膨脹（volume expansion）和二次收縮（secondry contraction）等三階段（見圖3520）。特點(diǎn)為： 1）在凝固完畢前要經(jīng)歷一次（液態(tài)）收縮、體積 膨脹和二次收縮過(guò)程。 2）一次收縮、體積膨脹和二次收縮的大小并非確 定值，而是在很大范圍內(nèi)變化。液態(tài)體收縮系 數(shù)為（～）102/℃，體積膨脹 量為3%～6%。 球鐵凝固期出現(xiàn)的體積膨脹，許多文獻(xiàn)中稱為石墨化膨脹或縮前膨脹，但也有人認(rèn)為不單純是因奧氏體－石墨共晶轉(zhuǎn)變引起的。其一，體積膨脹溫度開始的溫度可高于共晶溫度；其二，對(duì)石墨化膨脹所作的計(jì)算表明，每析出1%質(zhì)量的石墨，%～%。而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每析出1%質(zhì)量的石墨，鑄鐵體積增大約2%。因而認(rèn)為體積膨脹還與氣體析出有關(guān) 影響鑄鐵的一次收縮、體積膨脹和二次收縮的大小、進(jìn)程的主要因素是冶金質(zhì)量、冷卻速度和化學(xué)成分。 冶金質(zhì)量好的鑄鐵，在同樣化學(xué)成分、冷卻速度下，液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值都小，因而形成縮孔、縮松和鑄件脹大變形的傾向小，容易獲得健全的鑄件。設(shè)計(jì)冒口時(shí)要密切注意現(xiàn)場(chǎng)鐵液的冶金質(zhì)量，它可以用試樣的石墨球數(shù)來(lái)評(píng)定：（M=）的Y形試樣上取樣作金相檢查，以1mm2面積上的石墨球數(shù)為準(zhǔn)，即當(dāng)球數(shù)150個(gè)/mm2評(píng)為冶金質(zhì)量好，90～150個(gè)/mm2為 “中”，90個(gè)/mm2為差。還需注意影響冶金質(zhì)量的其他因素，這些因素是： （1）爐料的組成及品質(zhì) 高爐新生鐵最佳，廢鋼次之，回爐料最差。新生鐵本身的品質(zhì)優(yōu)或劣，對(duì)收縮、膨脹特性影響很大。 （2）爐型 經(jīng)驗(yàn)表明，用沖天爐最佳，其次為反射爐、無(wú)芯感應(yīng)爐，電弧爐最差。 （3）鐵液的停留時(shí)間 鐵液停留時(shí)間長(zhǎng)，溫度高（超過(guò)1500℃），降低冶金質(zhì)量。 （4）孕育 孕育效果好，則有利于冶金質(zhì)量。 研究表明：對(duì)CE=%～%、ωSi/ωc=～，冷卻速度3℃/min（與測(cè)定平衡圖時(shí)的冷卻速度相近），%（體積分?jǐn)?shù)）（與用平衡圖計(jì)算結(jié)果相近）。當(dāng)把該鑄鐵的冷卻速度提高到200℃/min時(shí)（與直徑30mm球試樣的干砂型冷卻條件相當(dāng)），%（體積分?jǐn)?shù)）。這和平衡狀態(tài)相比，顯然這會(huì)增加灰鑄鐵共晶前的體收縮。 冷卻速度越大，鑄鐵的液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值也越大。在砂型鑄造條件下，鑄件冷卻速度主要取決于鑄件模數(shù)。對(duì)小模數(shù)的薄壁件，例如Mc，就應(yīng)安放冒口補(bǔ)縮。相反，大模數(shù)鑄件，Mc≥，凝固時(shí)間長(zhǎng)、降溫慢，對(duì)補(bǔ)縮要求低，創(chuàng)造適當(dāng)工藝條件，甚至可用無(wú)冒口工藝。 碳、硅含量對(duì)球鐵件縮松的影響如圖3521所示。虛線方塊示出常用的碳硅范圍，+ωSi /7線的區(qū)域?yàn)橹旅軈^(qū)?？梢娞剂繉?duì)消除球鐵件的縮松比硅的作用強(qiáng)7倍之多。 二、實(shí)用冒口設(shè)計(jì)法 實(shí)用冒口（applied risering）設(shè)計(jì)法是讓冒口和冒口頸先于鑄件凝固，利用全部或部分的共晶膨脹量在鑄件內(nèi)部建立壓力，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，更有利于克服縮松缺陷。實(shí)用冒口的工藝出品率高，鑄件品質(zhì)好，成本低。它比通用冒口更實(shí)用。 實(shí)用冒口的種類及適用范圍（以球鐵為代表）如下所列。 （一）直接實(shí)用冒口（包括澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口） 安放冒口是為了補(bǔ)給鑄件的液態(tài)（一次）收縮，當(dāng)液態(tài)收縮終止或體積膨脹開始時(shí)，讓冒口頸及時(shí)凍結(jié)。在剛性好的高強(qiáng)度鑄型內(nèi)，鑄鐵的共晶膨脹形成內(nèi)壓，迫使液體流向縮孔、縮松形成之處，這樣就可預(yù)防鑄件于凝固期內(nèi)部出現(xiàn)真空度，從而避免了縮孔、縮松缺陷。這種冒口又稱為壓力冒口。 圖3522示出：鑄件模數(shù)大，則膨脹壓力高。在同樣模數(shù)下：球鐵比灰鑄鐵的膨脹壓力高。一個(gè)試驗(yàn)指出：強(qiáng)度很高的濕型，模數(shù)為1cm的球鐵件的膨脹內(nèi)壓就超過(guò)了其承壓能力。對(duì)灰鑄鐵件。對(duì)于一般濕型鑄造而言，只有很薄的鑄件，；，才適宜采用直接實(shí)用冒口。為了避免鑄件膨脹壓力超過(guò)鑄型的承壓能力而導(dǎo)致鑄件脹大變形，產(chǎn)生縮松，要求采用干型、自硬型等高強(qiáng)度鑄型。 （1）冒口體積 在平衡狀態(tài)下，近似地認(rèn)為鑄鐵的共晶溫度是1150℃。對(duì)于共晶成分的鑄鐵液，從澆注溫度tp冷卻到共晶溫度的體收縮率ε液，可用下式表示 ε液=｛α液｝℃（｛tp｝/℃1150）=（90+30）（｛tp｝/℃－1150）106（3515） 對(duì)于碳當(dāng)量CE＝，共晶前設(shè)先析出約30%（體積分?jǐn)?shù)）的奧氏體，液態(tài)鐵向奧氏體轉(zhuǎn)變體收縮率為3%，這樣就增加了30%3%=%的體收縮率。從澆注溫度（tp）冷卻到共晶溫度的體收縮率依下式計(jì)算： ε液=（90+30）（｛tp｝/℃1150）106+102 （3516） 用上面二式得出的鑄鐵液態(tài)收縮率ε液和澆注溫度tp、碳當(dāng)量CE的關(guān)系如圖3523所示。此圖所提供的數(shù)據(jù)是平衡狀態(tài)的，而生產(chǎn)中不會(huì)出現(xiàn)平衡狀態(tài)，鐵液中的石墨質(zhì)點(diǎn)，實(shí)際上在液態(tài)就存在并長(zhǎng)大，發(fā)生體積膨脹；其次，在充型期間，鑄件表層會(huì)形成薄的固體層，也會(huì)導(dǎo)致共晶膨脹。另一方面，隨著冷卻速度加快，會(huì)有大量初生奧氏體析出，從而加大了液態(tài)收縮。 冒口體積比鑄件所需補(bǔ)縮的鐵水量要大些。特別要注意：冒口的有效體積是高于鑄件最高點(diǎn)水平面的那部分冒口體積，只有這部分鐵液才能對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。了更好地發(fā)揮直接實(shí)用冒口的補(bǔ)縮作用，推薦采用大氣壓力冒口的形式，在冒口頂部放置大氣壓力砂芯或造型時(shí)做出錐頂砂。 （2）冒口頸的計(jì)算原則是：鑄件液態(tài)收縮結(jié)束或共晶膨脹開始時(shí)刻，使冒口頸及時(shí)凍結(jié)，為計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)鑄件形體簡(jiǎn)單，只有一個(gè)模數(shù)Ms。 對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的鑄件，關(guān)鍵模數(shù)容易確定。對(duì)于復(fù)雜鑄件，判斷哪一部分作為關(guān)鍵部分困難了。這時(shí)應(yīng)繪制模數(shù)－體積份額圖，這可有助于判定關(guān)鍵部分。關(guān)鍵部分應(yīng)滿足的條件是：它本身的體積膨脹量能抵償所有更厚部分的液態(tài)收縮量，直到比它厚的部分開始膨脹為止。關(guān)鍵部分的膨脹和比它厚的部分的液態(tài)收縮只有同時(shí)發(fā)生，且是相互關(guān)聯(lián)的，才可能相互抵償。這也表示，更厚的部分也可以滿足關(guān)鍵部分的要求。 由于直接實(shí)用冒口只補(bǔ)給鑄件的液態(tài)收縮，有效補(bǔ)縮距離是無(wú)限的，因此用一個(gè)冒口可以帶兩個(gè)或更多模數(shù)不等的冒口頸。冒口頸的位置，可選在最關(guān)鍵部分或更厚的任何部分上。冒口設(shè)在最高部位能節(jié)約金屬。 對(duì)于薄壁的鑄鐵件，冒口頸很小，可用澆注系統(tǒng)兼起直接實(shí)用冒口的作用，內(nèi)澆道依冒口頸計(jì)算，超過(guò)鑄件最高點(diǎn)水平面的澆口杯和直澆道部分實(shí)質(zhì)上就是冒口。由于濕型的承壓能力所限，，適宜采用澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口。 理論上，所有鑄件都能用澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口，但當(dāng)鑄件較厚時(shí)把冒口和澆口分開，工藝出品率將提高。 仍用圖3524確定冒口頸（內(nèi)澆道）的模數(shù)。但要注意澆溫的控制，太冷的鐵液澆注后常會(huì)導(dǎo)致液態(tài)收縮缺陷——集中縮孔或表面縮凹。圖3524上的澆注溫度應(yīng)代表澆注后型內(nèi)的金屬溫度。當(dāng)澆注厚大件時(shí)，澆注溫度和澆完后型內(nèi)金屬溫度并無(wú)太大差別；而澆注薄小件時(shí)，澆注溫度和澆完后型內(nèi)鐵液溫度有顯著不同。 因此，應(yīng)以最低的澆注溫度選擇內(nèi)澆道的模數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證明：薄小的石墨鑄鐵件中很少發(fā)現(xiàn)縮松，當(dāng)用濕型時(shí)也如此。這與凝固時(shí)鑄件截面上溫度梯度大、更傾向于層狀凝固方式有關(guān)。澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口的例子見圖3526，，澆溫1320℃。 主要優(yōu)點(diǎn)： l）鑄件工藝出品率高。 2）冒口位置便于選擇，冒口頸可很長(zhǎng)。 3）冒口便于去除，花費(fèi)少。 主要缺點(diǎn)： l）要求鑄型強(qiáng)度高。，要求使用高強(qiáng)度鑄型，如干型、自硬砂型和v法砂型等。 2）要求嚴(yán)格控制澆注溫度范圍，177。25℃。保證冒口頸凍結(jié)時(shí)間準(zhǔn)確。 3）對(duì)于形狀復(fù)雜的多模數(shù)鑄件，關(guān)鍵模數(shù)不易確定。為了驗(yàn)證冒口頸是否正確，需要進(jìn)行試驗(yàn)。 如果生產(chǎn)條件較好，鑄件形狀簡(jiǎn)單，或鑄件批量大，能