离心铸造且各层中的化学成分和微观组织也有

　　内容提示：章 绪 论 1. 1 概论 铸造是一种液态金属成型的方法。 在各种铸造方法中， 用的普遍的是砂型铸 造， 这是因为砂型铸造不仅铸件批量的大小， 不受限制， 而且铸件的形状， 尺寸， 重量及合金种类几乎都不受限制。 随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生的需要， 对铸 造生产提出了一系列新的， 更高的要求， 归纳起来， 主要有如下三个方面： 1、 要求大量生产同类型， 高质量而且稳定性的铸件， 进一步提高铸件的表面 光洁程度， 尺寸精度以及内在质量和机械性能； 2、 进一步简化生产工艺过程， 缩短生产周期， 便于实现生产工艺过程机构化， ...

　　章 绪 论 1. 1 概论 铸造是一种液态金属成型的方法。 在各种铸造方法中， 用的普遍的是砂型铸 造， 这是因为砂型铸造不仅铸件批量的大小， 不受限制， 而且铸件的形状， 尺寸， 重量及合金种类几乎都不受限制。 随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生的需要， 对铸 造生产提出了一系列新的， 更高的要求， 归纳起来， 主要有如下三个方面： 1、 要求大量生产同类型， 高质量而且稳定性的铸件， 进一步提高铸件的表面 光洁程度， 尺寸精度以及内在质量和机械性能； 2、 进一步简化生产工艺过程， 缩短生产周期， 便于实现生产工艺过程机构化， 自动化， 提高劳动生产率， 改善劳动条件； 3、 减少生产原材料的消耗， 降低生产成本。 为了实现上述要求， 近几十年来， 铸造工作者在继承， 发展古代铸造技术和应 用近代科学技术成就的基础上， 发明了许多新的铸造方法， 为了有别于砂型铸造， 人们把这些新的铸造方法统称为特种铸造。 常见的有如下几种： 1、 熔模铸造； 2、 金属型铸造； 3、 压力铸造； 4、 离心铸造； 5、 陶瓷型铸造； 6、 低压铸造； 7、 液体金属冲压； 8、 线、 连续铸造， 等等 特种铸造就是在造型材料， 造型方法， 金属液的充型形式和金属在型中的凝固条件 等方面与普通砂型铸造有显著差别的铸造方法。 离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中， 使之在离心力作用下， 完成填充和 凝固成型的一种铸造方法。 为实现这种工艺过程， 必须采用专门的设离 心铸造机（简称离心机） 提供使铸型旋转的条件。 1. 2 离心铸造机的发展过程 离心铸造发展至今已有几十年的历史， 个专利是 1809 年由英国人 Erchardt 提出的， 到上世纪初才逐步推广于工业生产。 国 30 年代开始采用于生产铸铁管。 现在离心铸造已经是一种应用广泛的铸造方法， 常用于生产铸管， 铜套， 缸套， 双 金属钢背铜套等。 对于像双金属轧锟， 加热炉滚道， 造纸及干燥滚筒及异型铸件（如 叶轮） 等， 采用离心铸造也十分有效。 目前已有高度机械化， 自动化的离心铸造机， 有年产量达数十万吨的机械化离心铸管。 在离心铸造中， 铸造合金的种类几乎不受限制。 对于中空铸件， 其内径小为 8mm， 为 3000mm， 铸件长度为 8000mm， 重量小为几克（金属牙） 大可达几十吨。 1. 3 离心铸造机的分类与应用 近年来， 离心铸造机发展很快， 类型日益增多， 因而分类方法也很多。 根据铸型旋转轴在空间位置的不同， 常用的离心机分为： 1、 立式离心铸造机 2、 卧式离心铸造机 立式离心铸造的铸型是绕垂直轴旋转的， 如图 1. 1 立式离心铸造示意图所示， 在这种机器上的铸造过程称为立式离心铸造。 它主要用于生产高度小于直径的圆环 类铸件。 由于在这种机器上安装及稳固铸型比较方便， 因此， 不仅可以采用金属型， 也可采用砂型， 熔模型壳等非金属型。 卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的， 图 1. 2 卧式离心铸造示意图所示， 在这种机器上的铸造过程成为卧式离心铸造。 它主要用来生产长度大于直径的套筒 类或管类铸件。 图 1.1 立式离心铸造示意图 1-浇包 2-铸型 3-液体金属 4-皮带轮和皮带 5-旋转轴 6-铸件 7-电动机 图 1.2 卧式离心铸造示意图 1-浇包 2-浇注槽 3-铸型 4-液体金属 5-端差 6-铸件 其中， 卧式离心铸造又可以分为： 1、 悬臂卧式离心铸造； 2、 在滚筒式离心铸 造机上的卧式离心铸造； 3、 水冷金属离心铸管。 立式离心铸造可分为： 1、 圆环形铸件的立式离心铸造； 2、 成形铸件的立式离 心铸造。 1. 4 离心铸造的特点 由于离心铸造时， 液体金属是在旋转情况下充填铸型并进行凝固的， 因而离心 铸造便具有下述的一些特点： 1、 液体金属能在铸型中形成中空的圆柱形自由表面， 这样便可不用型芯就能铸 出中空的铸件， 大大简化了套筒， 管类铸件的生产过程； 2、 由于旋转时液体金属所产生的离心力作用， 离心铸造工艺可提高金属充镇铸 型的能力， 因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产； 3、 由于离心力的作用， 改善了补缩条件， 气体和非金属夹杂也易于自液体金属 中排出， 因此离心铸件的组织较致密， 缩孔（缩松）、 气孔、 夹杂等缺陷较少； 4、 消除或大大节省浇注系统和冒口方面的金属消耗； 5、 铸件易产生偏析， 铸件内表面较粗糙。 内表面尺寸不易控制。 1. 5 离心铸造基本原理 根据力学中的惯性原理， 处于旋转状态下的金属液质点相应地产生了离心力， 所以金属液在离心力作用下凝固成形式离心铸造的一大特点。 1. 6 离心铸造的发展前景 铸型的大小可由零点几公斤至十多吨， 其小的壁厚优于同类的常压铸造， 铸 件材料决定铸件的表面粗糙度和铸件尺寸， 金属收缩率可达到 85～95%， 投产的合 适小批量为 100～10000 件， 生产率可达高中机械化程度。 由 于离心铸造的上 述优点， 应用越来 越广泛， 在生产一 些管 、 套类铸件 如铸铁管、 铜套、 缸套、 双金属钢脊铜套时 ， 离心铸造几乎是主要 的方法。 此外在耐热钢管 道、 特殊无缝钢管、 毛坯 、 造纸机干燥滚筒等方面 ， 离心铸 造将发挥更大的作用。 1. 7 本设计内容 随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高， 离心铸造技术应用的越来越 广泛， 优点多， 前景可观， 满足人类的需要。 本设计为滚筒式离心铸造机， 加工直 径 500 mm ， 厚度在 0 m 到 100 m 之间的铜合金管型材料。 第二章 滚轮式离心铸造机的原理分析 2. 1 离心力 作用在旋转体上的离心力与旋转半径成正比， 与角速度的平方成正比： F  m r （2. 1） 如旋转速度以 r/min 为单位， 则     n / 30 （2. 2） F  0.01 rn （2. 3） 式中： n为金属液质点的旋转速度（r/min） r液体金属任意点的旋转半径（cm） g重力加速度 m金属液质点的质量（kg） 2. 2 离心力场 在旋转液体所占空间中， 每一质点都受到离心力 m r 作用， 因此， 可把这一 空间称为离心力场。 其中为离心力加速度， 方向远离旋转中心。 2. 3 有效重度 离心力场中单位体积液体金属的质量就是它的密度  ( g / m ) ， 部分液体金属 产生的离心力成为有效重度     r   / g ( N / m ) 。 式中： 金属的重度 ( / m ) 该式表明旋转金属液的有效重度比在重力场中的重度大  r / g 倍。 2. 4 自由表面 图 1.2 所示为卧式离心铸造时， 在自由表面上任取一个质点 M， 其质量为 m， 若不考虑重力场的影响， 则作用在该质点的离心力为在 X 轴方向上的分力为： 2 22 32 2 33 2 2 2 在 Y 轴方向上的分力为： X  m r cos   m x Y  m r sin  m y （2. 4） （2. 5） 在旋转轴方向上的分力为： Z  0 （2. 6） 有水力学的欧拉公式可知， 当液体质点受力的作用， 在等压面上作微小位移时， 应满足下述条件： Xd x  Yd y  Zd z  0 （2. 7） 式中， X， Y， Z 分别为质点 M 在 x， y， z 轴方向上所受的力， d x , d y , d z 分别为质点 M 在 x， y， z 轴方向上微小位移的投影。 将（2. 4）、（2. 5）、（2. 6） 代入式（2. 7） 得： m xd x  m yd y  0 （2. 8） 将式（2. 8） 移项积分后， 得如下方程式： x  y  r （2. 9） 此为图 2-1 的方程式， 其半径为液体的内半径， 圆的中心与液体金属的旋转轴 线相重合。 因此可以推论， 卧式离心铸造时， 如果不考虑重力场的影响， 则液体金 属的自由表面位移旋转轴为轴线的圆柱面。 R O 0 图 2. 1 卧式离心铸造时液体金属自由表面的形状 实际上由于存在着重力场的影响， 所以在卧式离心铸造时液体金属边面（圆柱 面） 的中心将向下移动 e 距离。 因为液体金属作圆周运动时， 金属质点从处（A 端面上的一点） 向处（B 端面上任一点） 移动时， 在重力场的影响下， 其速度 将增加， 而当液体金属质点自 A 端面向 B 端面移动时， 其速度将增大， 所以液体金 2 22 22 2 2r 属在 A 端面处的圆周线速度 V a b a b 根据水力学的连续流原理， 可把水平旋转液体金属的运动视为在有自由表面和 铸型所组成的封闭圆环内的运动。 所以应得： V F  V F （2. 10） 式中 F 、 F 为 A、 B 两断面的面积。 有前可知 V  V ， 所以 F  F 。 在卧式离心铸造时， 因铸件长度在各处都为一 定值， 所以液体金属在作圆周运动时就自动地调整 A、 B 两端面处的厚度， A 端面 处的厚度增加， B 端面处的厚度减薄， 从而出现液体金属圆柱形自由表面向下偏移 的现象， 其轴线下移 e 值。 这种自由表面向下偏移的情况是不会在凝固后的铸件内表面上遗留下来的， 因 为在铸件凝固的过程中， 由于它是从外壁向自由表面结晶的， 并且壁型在同一圆周 上的冷却作用基本都是一样的， 靠近内表面一侧的液体金属环的厚度将以同样的冷 却速度减薄。 如将式（2. 10） 改写为： F F  V V （2. 11） 则在凝固过程中， 由于 A 端面上的残留层与 B 端面上的残留层间的厚度差别会 逐渐减小， 显然式 2. 11 中的 V / V 值也相应的减少。 为了满足式 2-11 的要求， A、 a b 留液体层的厚度自动调整至与 A 端面处的残留液体层的厚度相等， 自由表面的偏移 现象随着铸件凝固的增长而逐渐消失。 此外， 随着铸件凝固过程的进行， 液体金属的温度不断降低， 粘度增大， 故金 属液体由 A 端面向 B 端面的运动会随着金属粘度的增加而遇到越来越大的阻力。 同 样， 有 B 端面向 A 端面的减速运动也越来越难以进行。 这样， 就使 V 与 的差值 不断减小。 因此在卧式离心铸造时， 液体金属自由表面的偏移现象将随着铸件凝固 的过程而逐渐消失， 后， 铸件的内表面将不会出现偏心。 至于在实际生产中所遇到的铸件内表面偏心现象， 主要是由于铸型的轴线与离 心铸造机不重合而引起的。 2. 5 离心压力 离心铸造时， 液体金属内部的重力场与铸件壁上的重力场一样， 也会受到液体 小，在 B 段面上，周线速度 ， V  V 。B 两端面处的残留液层的端面面积值 F 、 就相应的相互接近， 亦即 B 端面处的残 金属的压力作用， 这种压力称为离心压力。 离心压力的大小及分布情况由其本身的 特点决定， 现介绍如下： 图 2. 2 所示为截取卧式离心铸型中液体金属的横断面， 其外径为 R ， 内径为 r ， 旋转速度为， 现在旋转的液体金属中取一微小单元， 其旋转半径为 r ， 厚度为 dr ， 外边边长为 rdr ， 内边边长为 r  dr / 2 ， 故微小单元的平均宽度为 (  dr / 2 a ， 如 该单元在轴向上的长度为 dz ， 则该单元的质量 m   (  dr / 2 dadrdz ， 质量中心处 于 旋 转 半 径 为 (  dr / 2 的 圆 弧 上 ， 因 此 ， 这 一 微 小 单 元 所 受的 离 心 力 为 ( r  dr / 2 dadrdz ， 这一离心力作用在为小单元旋转半径 r 处的液体金属面处， 该面 的面积为 drdadz ， 所以， 有微小单元所受离心力引起的离心压力为： dr R r 图 2. 2 卧式离心铸型中液体金属的横断面 dr drp ( rdadz r 式 2. 12 中 dr r ， 故可把 dr / 2 忽略不计， 则式 2-12 变为： dp   rdr 对于 2. 13 中， 取 r 至 r 处的定积分， 得： 0 对式 2. 14 中 0 、 r 各为自由表面和 r 处的离心压力。 所以， 2 2 g （2. 12） （2. 13） （2. 14） （2. 15） dp                                   dr2     ) dadrdz (     )2 2 rdp                   rdr2 2p r      (  r )       (  r ) 式中： r 液体金属的重度 g 重力加速度 由式 2. 15 可知， 卧式离心铸造时， 液体金属中的等压面是以旋转轴为轴线的圆 柱面， 旋转半径不同时， 离心压力值也不同， 从自由表面 r 处起至外径 r 处， 压力 变化成抛物线规律分布， 在 R 处为， 即： 2 p r 就是旋转中液体金属对旋转型壁作用的离心力 2. 6 液体金属中异相质点的径向运动 液体金属中的异相质点主要有： 浇注时随液体金属进入铸型的夹杂物或气体， 液体金属中不能互溶的合金组元即凝固过程中分析出的晶粒和气体等。 这些异相质 点与液体金属的重度各不一样。 在重力场中， 它们的上浮或下沉的速度 v 可根据斯 托克斯公式确定， 即： 18  式中： v 颗粒的沉浮速度， 正值为沉， 负值为浮； d 异相质点颗粒的直径；   金属液的密度；  2 异相质点颗粒的密度；  金属液的动力粘度。 若     2 ， v 值为正， 为异相质点的下沉速度； 如   2 ， v 值为负， 为异相 质点的上浮速度。 离心铸造时， 旋转液体金属中异相质点的下沉与上浮同重力场的规律相似， 但 这时是沿径向自由表面内浮或向型壁处外沉。 内浮外沉的速度可参照斯托公式来确 定。 由于重力场与离心力场的性质相似， 此时， 只要将离心加速度代替重力加速度， 则得： v  d (    2 ) r / 18 （2. 18） 2r 2 2       ( r  r ) （2. 16）p 2d    1 2v      ( ) r （2. 17）2 2 将式 2. 18 代入 2. 17 得：       v / vr / g （2. 19） 由式 2-19 可见， 离心铸造时， 液体金属中异相质点的沉浮速度比重力铸造时大 好多倍， 所以重度比液体金属小的气体或某些夹杂物就较容易浮至自由表面。 这就 是离心铸造中气孔， 夹杂等缺陷可显著减少的原因。 当然， 在铸件的内表面上会有 较多的异相加杂物存在。 在大多数情况下， 凝固时析出的晶粒， 其重度比液体金属大。 因此， 离心铸造 时， 析出的晶粒有更大的趋势向外表面或晶粒前沿移动。 同样， 液体金属中温度较 低的部分也较易向外表面集中。 此外， 离心铸造的散热过程又是通过铸型型壁进行 的。 所有这些都为离心铸件由外表面向内表面的顺序凝固创造了更有利的条件。 这 样， 促使结晶的成长速度增大， 缩小结晶前沿的固、 液相共存区， 减小铸件中形成 缩孔、 缩松的倾向， 所以离心铸件的组织比一般铸件致密。 过共晶铸铁及铝硅合金， 初析出的是石墨和初生硅， 它们的重度比液体金属 小， 在离心铸造时容易內浮， 从而破坏了由外相内的顺序凝固， 是铸件内表面过早 的出现凝固层， 造成双向凝固现象。 这样， 处于内外凝固层之间的金属液体继续冷 却， 液体金属将趋于紧靠型壁， 从而使内表层下出现缩孔及偏孔。 若凝固时收缩比 较大， 将使内表层处于悬浮状态， 在旋转铸型中， 它将与层间的液体金属发生频繁 碰撞而碎成小块， 当凝固后铸件的内表层就出现坑洼不平。 2. 7 离心铸造的缩补 一般来说， 铸件中的缩松主要是由于凝固时在枝晶间形成的空穴不能得到补缩 所造成的。 空穴能否及时得到补缩， 与液体金属流经补缩通道时克服阻力的能力有 关。 当凝固收缩时， 液体金属已接近凝固相线温度， 其粘度较大， 枝晶间的补缩通 道又窄又曲折。 需克服的阻力较大， 离心铸造时液体金属质点是按重力系数的倍数 加重的， 其运动方向又指向由外壁向内表面进行移动的凝固层， 这就创造了较好的 补缩条件， 使液体金属能通过枝晶间的细小缝隙， 对空穴处进行补缩。 同时， 液体 金属在补缩通道沿径向向外进行补缩时， 随着旋转半径增大， 质点所受的离心力越 大， 克服阻力的能力也就越大， 在补缩缝隙中的移动速度也就越来越快， 为随后进 入缝隙的液体金属创造了更好地流动补缩条件， 故离心铸造的组织较为致密。 2. 8 离心铸件在液体金属相对影响下的凝固特点 在离心铸件的断面上会出现两种独特的宏观组织， 倾斜的柱状晶和层状偏析。 一般情况下， 柱状晶的生长应按与散热方向相反的规律进行， 这样， 离心铸件和断 2 面上的柱状晶应在径向上由铸件的外壁向内表面生长。 然而， 在一些离心铸件的横 断面上却可见到倾斜柱状晶， 其倾斜方向与逐渐成形时的旋转方向一致， 在铸件外 层晶体倾斜度较大， 越往内层倾斜度越小。 此外， 离心铸件横断面上的层状偏析组 织是按同心圆的形式分层分布的， 且各层中的化学成分和微观组织也有差别。 对铸 件的工作性能有较大的影响， 这两种现象都与离心铸造时液体金属相对运动有关。 1、 离心铸造横断面上液体金属的相对运动及其铸件结晶的影响 离心铸造时， 在铸型断面上可能出现下述三种情况的液体金属相对运动； （1） 由于铸型转速太低引起的相对运动 卧式离心铸造时， 如果铸型的转速太低， 则进入铸型的液体金属就不能被铸型 卷起在其内表面上形成厚度均匀地圆环形液层， 随铸型作圆周运动， 而只是被铸型 卷高一些， 由型壁流下来， 或被铸型卷到较高的部位， 有脱离铸型散落下来， 使铸 型下放聚着大量的液体金属， 随着铸型的旋转运动， 液体金属不断卷起又散落下来， 引起剧烈的流动， 破坏了离心铸造的形成过程。 因此， 应避免这种现象。 （2） 由于重力场引起的液体金属脉动现象 上面已提到， 由于重力场的影响， 绕水平轴旋转的液体金属， 当它由上往下运 动时， 其切向运动速度会增大， 而当它从下往上运动时， 其切向运动速度会减小。 可是， 铸件本身却作等速旋转运动。 因此， 铸件与液体金属便发生了相对运动。 如 前所述， 这种相对铸型时而超前， 时而滞后的液体金属脉动现象随着液体金属温度 降低和结晶层的成长会很快的减弱， 如果在考虑到这种时而加速时而减速在旋转过 程中的变化是周期性的， 而液体金属的平均转速仍和铸型一样， 那么相对于铸型或 铸件层的液体金属周期性变化运动的影响可以相互抵消。 (3) 由于惯性作用引起的相对运动 离心铸造时通常是先启动铸型， 然后进行浇注， 初进入铸型中的液体金属虽 然能在极短的时间内被铸型带动作圆周运动， 但由于惯性作用， 它们不能立刻获得 与铸型一样的旋转角速度， 而是以较小的角速度随同铸型旋转。 因此， 不仅液体金 属与铸型之间有相对运动， 而且液体金属从内向外的层与层之间也有相对运动。 只 是经过一段时间后， 全部液体才有可能被带动与铸型作同一速度的圆周运动， 此时 相对运动才会消失， 这一现象已被实验所证实。 如上所述， 在靠近型壁处， 液体金属的相对运动速度较小， 而靠近自由表面处 相对运动速度较大。 根据液体金属的粘度， 相对运动速度的大小和液体金属层厚度 的不同， 液体金属层内可能出现现紊流或层流， 其变化过程如图 2-3 所示， 当液体 金属刚进入铸型后， 及时在靠近铸型壁的液体金属层中很可能立刻形成一层薄的层 流层， 经过一段时间后， 随着相对运动的减小， 靠近型壁的流层增厚， 紊流层减薄。 必须指出， 在层流层和紊流层之间可能不是如图所示那样有明显的界面， 而是两者 之间有一逐渐变化的过度层， 制止紊流层消失， 全部变成层流层。 随着时间的推移， 层流层内部相对运动速度逐渐减小， 后液体金属与金属铸型处于相对静止状态。 图 2. 3 液体金属层出现紊流的变化过程 显然， 在相对运动的变化过程中， 液体金属也同时由外层向内层结晶。 这样， 在不同的时刻， 不同的运动状态下， 铸件内部的结晶组织相应也将有所不同。 紊流将影响液体金属中异相质点的正常浮动， 使温度不同或季节不同的组分随 液体金属做紊乱运动， 从而， 缩小前沿液体金属层的温度梯度， 重度较大的晶粒被 分散在宽大的固液相共存区中成为新的晶核。 当结晶前沿是出在层流的液体金属时， 首先， 由于离心力场作用引起异相质点 沿径向移动可能进行， 因此， 在结晶前沿液体金属的温度梯度增大， 且凝聚着较多 的细结晶粒或冷金属集团， 这就有利于柱状晶的成长。 其次， 由于管型的作用， 液体金属随着铸型以同一角速度旋转的结晶前沿在圆 周方向存在着相对运动。 这样， 结晶前沿与液体金属中析出的那些处于不稳定状态 的细晶粒或过冷金属集团有较多的接触机会， 为了降低系统的自由能， 它们容易沉 积在生长着的晶体上使结晶在迎着液流方向的一面具有较快的生长速度。 而在背着 液流方向的一面， 由于晶体与液流金属中的细晶粒或过冷金属集团接触机会较少， 故晶体的生长速度较慢。 由于上述原因， 后结晶形成了与铸型旋转方向一致的倾斜柱状晶。 2、 离心铸型纵断面上液体金属的相对运动及其对铸件结晶的影响。 在生产较长的管状离心铸件时， 进入铸件的液体金属除了沿圆周方向覆盖铸型 内表面外， 还会沿内表作轴向运动， 来完成充填成型过程。 此时会出现如图所示的 层状流动现象。 浇注时， 当股液体金属流入铸型后， 在其本身初速度的影响和离心压力下， 向铸型的前后两端流动。 随后， 由于铸型的冷却作用， 液体金属的粘度增大， 流动 速度逐渐降低。 如图 2. 4 所示， 当股液体金属越流越慢时， 随后浇入铸型的液 体金属沿地一股液流的内表面作轴向运动。 由于内表面温度较高， 所以第二股液流 温度降低较慢， 能保持较高的流动速度， 后超越股金属流的前端， 继续向前 流动一段距离， 第三股金属液体继续浇入金属铸型， 液体金属将重复上述过程， 这 就是离心铸造长管铸件时， 铸件中液体金属的轴向流动特点。 铸型 图 2. 4 浇入液体金属时的形状 必须指出， 液体金属在作轴向流动的同时， 由于前铸件横断面上液体金属因惯 性原因所引起的转速滞后现象， 所以实际上液体金属是按螺旋状的路线， 从铸型的 一端向另一端流动的(如图 2. 5 所示) 。 离心铸件外表上的螺旋状金属留痕便是这种 状态的证明。 图 2.5 金属液的流动路线 如果铸型中液体在作层状流动时温度降低较快， 使得后一股金属在覆盖前一段的内 表面时， 两者不能很好的融合在一起。 这样， 各液层均按各自条件进行凝固， 因而 各层的金相组织， 单元的分布也会有所不同。 后在离心铸件断面上便形成了层状 偏析的结晶组织。 这种层状偏析组织， 在金属铸型离心铸造铸铁件、 铸钢和各类铜 合金时常有发生。 降低铸件的冷却作用， 提高浇注温度， 是减少或消除离心铸造中层状偏析的有 效工艺措施。 2. 9 本章小结 离心铸造时， 析出的晶粒有更大的趋势向外表面或晶粒前沿移动。 同样， 液体金属 中温度较低的部分也较易向外表面集中。 此外， 离心铸造的散热过程又是通过铸型 型壁进行的。 第三章 金属铸型设计 3. 1 卧式滚筒离心铸造机 特点： 在浇注小车上装有防护罩， 当浇注时， 浇注槽伸至型筒内时， 防护罩挡 住型筒的端面， 防止金属液从铸型内飞出伤人， 两支撑轮与铸型中心连线 可铸造铸件的尺寸 铸件直径（mm） 500 铸件小内径（mm） 铸件长度（mm） 1000 3. 2 铸件类型选择： 金属型： 常用金属型生产管状， 筒状， 环状的离心铸件， 与砂型离心铸造相比， 它有如下优点： 1、 工艺过程简单 2、 生产率高 3、 铸件外表面尺寸精度高 4、 铸件无夹砂， 胀型等缺陷 5、 工作环境改善 其缺点： 1、 铸铁件上易产生白口。 2、 铸件外表面上易产生气孔 3、 铸型成本高如下图所示是滚筒式离心金属型示意图： 型 体 滚 道 端盖 销子 3. 3 铸型型体设计 图 3. 1 滚筒式离心金属型 金属型型体的失效主要由热应力和热应力疲劳所引起， 故决定型体壁厚时应在 满足必要的强度和刚度的前提下， 尽可能取较小的数值， 在铸型不用水冷却的情况 下， 单层金属型的壁厚应保证具有足够的吸热能力， 以免工作时温度升得太高， 单 层金属型和内型的型体壁厚一般为铸件壁厚的 0. 8--5 倍， 反之倍数应较小， 小壁 厚不能小于 15mm， 铸件长时， 型壁应较厚。 3. 4 铸型端盖和端盖紧固装置设计 1、 端盖： 常用铸铁或碳钢制造。 选择平端盖， 结构图： 图 3. 2 铸型端盖示意图 特点： 常用于小直径铸件的生产， 加工容易， 钢质的易变形。 注意： 端盖的内孔有向型腔扩大的斜度， 以免当端盖内孔上粘有凝固的金 属时， 使之取下端盖发生困难。 如下图所示： 图 3. 3 铸型端盖斜度 2、 型端盖的固定： 心端盖铸型的固定必须满足当铸型转动时能牢固于铸型， 以防掉下伤人或金属液经端盖与铸型接缝流出型外， 当铸型不转时， 端盖拆卸必须 方便。 图 3. 4 端盖的固定装置结构 紧固工具用销子， 原因： 1、 销子大端必须指向铸型轴线， 销孔可为圆柱孔。 2、 使用方便， 工作可靠， 3、 加工较易， 端盖销子不易取下。 4、 销子较易损坏丢失。 5、 浇注时从端盖内孔溢出的金属液易把销子粘住， 使 表 3. 2 销孔的技术数据 铸型内径（mm） 销孔直径(mm) 孔数（个） 〈=200 1520 3 201 2025 34 401600 2530 4 6011000 30 6 注意： 为防止浇注时从端盖溢出的金属液粘住固定元件， 可在端盖上做一挡圈。 3. 5 滚筒式离心铸型的滚道和定位 滚筒式离心铸型的滚道面应有较细的粗糙度（RA1. 60. 4 微米） 和较好的同轴 度， 防止在转动时出现大的震动， 为防止铸型在机器轴上的移动， 铸型得滚道形状 及其与离心铸造机支承轮间的配合方式可选择设计为： 图 3. 5 铸型与支撑轮的配合方式 注意： 挡圈不能做在轮缘的内侧， 因为金属型工作时受热发生轴向膨胀， 会使 挡圈与支承轮卡住， 机器出现故障。 结构特点： 1、 加工较复杂， 需要粗的毛坯制造； 2、 依靠滚道凸缘防止铸型轴向转动。 3. 6 浇注系统设计 离心铸造时的浇注系统主要指接受金属的浇杯和与之相连的浇注槽， 有时还包 括铸型内的浇道， 浇注系统应满足下述要求： 1、 浇注长度长， 直径大的铸件时， 浇注系统应使金属液较快的均匀的铺在铸型 的内表面上。 2、 浇注易氧化金属液， 或采用离心砂型时， 浇注槽应使金属液能平稳的填充铸 型， 尽可能减少金属液的飞溅， 减弱对砂型的冲刷。 3、 浇注成型铸件时， 铸型内的浇道应能使金属液顺利流入型腔。 4 浇注终了后， 浇杯和浇注槽内应不留金属和熔渣， 若有应易于清除。 浇注定量： 离心铸件内径常由浇注金属液的数量决定， 故在离心浇注时必须控制浇入型内 的金属液数量以保证内径的大小。 离心浇注定量法： 采用重量定量法： 即用一定内形的浇包取一定重量的金属液， 一次性的浇入铸 型之中， 应用情况： 定量不太准确， 但操作方便， 大量生产， 连续浇注时应用较广泛。 以上浇注系统的设计均参照铸造手册第六卷 684， 685 页， 以及表（7. 23）。 结构示 意图如下所示： 图 3. 6 浇注系统 采用管式浇注杯， 见特种铸造手册表（7. 22） 浇注温度： 1100 度 脱型温度： 500 度 铸型预热温度： 200 度。 铸型工作温度： 150 度。 3. 7 本章小结 离心机使用的时候要注意安全， 为了保证金属液不飞溅出来， 要保证铸型的稳 定转动， 使铸型在水平方向和竖直方向都得到很好的固定 第四章 电动机的选择 4. 1 铸型转速 铸型转速是离心铸造时的重要工艺因素， 不同的铸件， 不同的铸造工艺， 逐渐 成形式的铸型转速不一样， 低的铸型转速会使立式离心铸造时的金属液冲型不良， 卧式离心铸造使出现金属液雨淋现象， 也会使铸件出现疏松， 夹渣， 铸件内表面凹 凸不平等缺陷， 铸型转速太高， 铸件易出现裂纹， 偏析等缺陷， 砂型离心铸造外表 面会形成胀箱等缺陷， 太高的铸型转速也会使机器出现大的振动， 磨损加剧， 功率 消耗过大， 所以铸型转速的选择原则应是在保证铸件质量的前提下， 选取小的数 值。 利用经验公式计算铸型得转速， 用特种铸造手册 682 页的康斯坦丁诺夫公式：      式中： n 铸型转速（r/min） 铸件内半径( m )  修正系数 铸件合金重度(N/ m ) 设铸件为铜合金， 密度： 8. 2g/ cm 计算重度为： g 8.210009.80360 (N/ m ) 表 4. 1 康斯坦丁诺夫公式修正系数 离 心 铸 造 类 型 铜 合金卧式离 心铸造 铜合金立式 铸 铁 铸 钢 铝合金  1. 21. 4 1. 01. 5 1. 21. 5 1. 01. 3 0. 91. 1 n 55200 / 1.3 80360 0.2  334.98r / min ， 实际转速要 大于计算转速， 所以取 350r / min 55200n= （4. 1）3 33 4. 2 离心铸型壁厚 此离心铸造机的铸件外径为 500 毫米， 长度为 1000 毫米， 查表（7. 10） 离心铸造手册。 壁厚选为 20 毫米。 4. 3 离心压力（铸型内金属推开端盖的离心压力） 一般， 销子和压板都能使端盖可靠的紧固， 型内金属液难以推开端盖， 为安全 起见， 故设计时应作适当的作用力检查， 铸型内金属液推开端盖的离心压力计算公 式（6. 2） 4 式中： p 金属液推开端盖的压力。 m n 铸型旋转速度（r/min ） g 重力加速度， g=9. 8m/ s R 铸型内半径 r0 铸件内半径 4  9. 4. 4 电动机功率选择 带动铸型旋转的电动机以在启动铸型， 克服铸型惯性达一定转速时所需的功率 为， 所以离心铸造机上电动机应按启动时所需功率进行选择： 3 6 6 0 0 0 t   366000  Gi 某一传动件质量（kg） Di 某一转动件的旋转直径（m） n 某一转动件在启动后的转速 222 2p    r  （4. 2）  322 350603. 4  80360  所以： 2 2G D n k（4. 3） 2 2 G D n 式中： ----机器上各传动件启动时所需功率总和， k安全系数。 1. 11. 3  传动效率安全系数， 一般取 0. 70. 8 t启动时间， 一般取 48 秒 2  0. 2 计算如下： G 型 5 V  7.  1000    . 2 2 6  1  508 g N  508  0. 366000  8  334 0.8 1.  8. W 选择电动机为 Y160M-4， 1460r/min， 功率为 11kw. 同步 1500r/min 4. 5 本章小结 正确的选择电动机对离心铸造很重要， 功率过大造成浪费， 功率过小， 达不到 要求， 电动机输出的功率， 通过带传动和齿轮传动都会有小部分的损耗， 所以电动 机的功率选择时， 略大于所需的功率就好。  第五章 带传动的设计 5. 1 V 带的设计 1、 传动比的分配 已知电动机型号为： Y160M-4， 1460r/min， 功率为 11kw. 同步 1500r/min n w 350 I 带 2 ca A ca P  k  p  1. A 3、 选择窄 v 带带型 ca 1 4、 确定带轮基准直径 d d 2 d 1 d 2 验算带的速度： 60 1000 60  1000 5、 确定窄 v 带的基准长度和传动中心距 根据 d1 d 2 0 d1 d 2 初步确定中心距 0 = . 带所需的基准长度： 2 4 p n mi          4.2 8 I 2 带i 总 I             2. 4 k  1.2  11  13 wp n dd i d 2125  250 m d  250 m  d n  125 v           500             m / s  9.8m / s 0.7 (d d )  a 2 ( d  d ) a2               (d  d )d2 d 1L 2a     ( d d )  = 2    2  (125250)  (250  125) 4  1398.5 mm 2 d 计算实际中心距： /  1 mm Ld  L 0  1  1398.5 mm a a 2  1 (  2 )mm  .75 6、 验算主动轮上上的包角  180  d d 2  d 1 a d  57.5 o 180 o  100 57.5 o 165.7 120 ， 主动轮上的包角合适 7、 计算窄 v 带的根数 z z  .75 n  1500r / min d ， 由 1 ( p0  0 ) p  kl  ， d 1 =125mm. i=2， 查《机械设计基础》 表 8. 6、 8. 7 得： 0 =2. 19kw， 0 =0. 46kw， k  =0. 96， 查表 8. 3 得 k l =0. 90， 所以： 查《机械设计基础》 表 8. 8 得： p a 13.2 z  ( p p )k k 0  (2.19 0.46)  0.96 0.90   l 0 F 0 p vz ( 2.5 2 F0 500  ca K 1)  qV 查表 8. 2 得： q=0. 17kg/m， 所以， 9.8 4 0.96 Q 1) 0.17  9.8 = 286.4 N o Q F 5. 2 带轮的结构设计  2  z F0 sin  1 2  2 6 286.4 sin 165.7 22  3410.1 N Lo o p =5.7613.2 2.5F 500       (F 取 由于主动轮 Z=7， 所以采用实心式， d 2 由《机械设计基础》 表 8. 5 推出， 厚度： B  2 f  Z 1 e  23 519  118 mm， 140mm。 d  250 m 5. 3 本章小结 带传动不但传递动力， 还可以起到减速的作用， 选择合适的传动比， 能够协调 零件的尺寸， 对设计的整体结构有影响。 第六章 齿轮与带轮的设计 6. 1 齿轮的设计 1、 齿轮材料的选择 查《机械设计基础》 表 5. 4 选用 6 级直齿， 日工作 15 小时， 300 天， 两班制。 小齿轮为 40Cr， 并经调质及表面淬火， 齿面硬度 55HRc， 图 5. 28（ ） 接触疲劳强 e H lim FE H lim FE 2、 齿数的确定 初选 Z  40 ， 大齿轮数 Z2 iZ 2.14 40  85.6 ， 取 86 6. 2 齿面接触疲劳强度设计 d H 1、 根据工作条件， 选取载荷系数 K=1. 3 n 1440 2 d 4、 标准直齿轮， Z H  2.5 ， 查表 5. 7 弹性系数 Z E =189. 8（锻钢-锻钢） 5、 计算应力循环次数 N1  60n1 jLh  60  720 1 2  8 15  300 3.11 9 92.07310 3.11N                      1.45 10 0 u 2.14 HN 1 HN2 7、 计算接触疲劳强度的许应力， 取失效率为 1%， 安全系数 S=1， 得：  1200 MPa  720 MPa  1150 MPa  700 MPa2KT u [ u  1 Z 1 E H Zd 1 3 ( ) ]p  9550 11 95502、 小齿轮传递的转矩 T                      145.9 N g  90 K =0.90 K  0.95 K  HN 0. 9  1200 H  1=  H lim 1 = S =1080MPa (6. 2) K HN 2  H lim 2 1 H   2= s 1 =1092. 5MPa 9、 计算小齿轮分度圆直径 d1 1 6. 3 齿轮分度圆及厚度的计算 3  2.14 1 2.14  ( 1080 2  22.72 m 6 . 由于铸型内径 500mm， 壁厚 20mm， 所以外径小为 540mm， 所以 z2 86 d2 mZ2  786  602mm ， 取 d2  600mm B2 B   d1 1 280  280 m B1  B  (5 ~ 10) ， B1 取 286mm 4 校核齿轮齿根弯曲疲劳强度 Fa1 Y  1.5 Y  2.22 Y  1.77 Sa1 ； Fa2 ， Sa2 。 K =0.88 K = 0.9 ， 2、 由应力循环次数查得弯曲疲劳寿命系数 3 、 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 FN1 S = . ， 得： 1 4 FN2 K FN1  FE1 0. 8  720   F 1 = 452 57MPa = . 6 3 ( . ) K S  = 1. 0.  700 F 2  FN2 FE2 = S =450. 00MPa 4、 计算圆周力 1. 3 0. 5  1150=2 1.3 145.9 103 1 189.8  2.5)d 540 m           6.27 ， 取 m=7 ，d  mZ =7 40=280mm ， Y  2.8 Ft  2 1 d  2145.9 10 252  1158 N (6. 4) 5、 计算齿轮齿根弯曲应力。 由式（6.5） 得   KFt Y Y  F1 d1 m 2.81.5 2.09  452.57 （6.5） Fa1 Sa 2762 a  m( z1  z ) 2  441 m 6. 5 将几何尺寸汇于表 表 6.1 齿轮尺寸表 序号 1 2 3 名称 端面模数 分度圆直径 齿顶高 ha h f =（ 符号 mt d1, d ha m 1 7 h  c m a ） 计算公式及参数选择 7 280mm； 600mm 7mm 4 齿根高 8.75mm 5 6 7 8 9 10 全齿高 顶隙 齿顶圆直径 齿根圆直径 中心距 厚度 =（1+0. 25） 7 h c da1, d * * 2 d f 1, d f 2 a B1 B 15.75mm 1.75mm 294mm； 614mm 262.5mm； 582.5mm 441mm 286mm； 280mm 6. 6 拖轮轮的设计 1、 拖轮直径的确定 d 280 3 = 取拖轮直径与齿轮分度圆直径相等， 2、 两拖轮夹角 两拖轮与铸型夹角： 取  =115 3、 两拖轮中心距 L= 2   R +r   sin  2 =2 441 sin 2 = 738.8mm 1.3   158*115 纵向高度差 H=441 cos 57. 5 =235. 3mm 4、 带轮厚度 取 B=100mm 6. 7 本章小结 拖轮在设计中对铸型起到支撑的作用， 而齿轮， 不但对铸型起支撑作用， 还传 递动力给铸型， 在设计中， 选择用两个轴在两侧支撑铸型， 就是为了保重铸型径向 的定位， 再加上提高齿轮精度， 减小铸型运转时的跳动， 保证了铸造过程中的安全 性。 第七章 轴的设计及轴承与键的选择 7. 1 估算轴的基本直径 材料 40Cr 调质， 估计直径 d100mm， 由《机械设计基础》 表 11. 1 查得 b n 720 d 为小直径， 应为装链轮处的受扭转的轴段的直径。 因该处有一键槽， 应将 直径增大 3%， d 27.3 1.03  28.11 m 取标准直径 d=30mm 7. 2 轴的结构设计 表 7. 1 初定各轴段直径和长度 位置 链轮处 油封处 轴承处 轴肩处 齿轮处 轴环处 拖轮处 轴肩处 轴承处 轴直径 30 40 50 55 60 70 60 55 50 轴段长度 135 100 31 20 280 300 95 45 31 7. 3 轴承的选择 由于轴承主要承受径向力， 所以选用深沟球轴承， 型号 6410 7. 4 键的选择 电机处选 A 型键 b  h  L 12  8  100 链轮处选 A 型键 b  h  L=10  8  10 齿轮处选 A 型键 b  h  L=18 11 250    735 Pa ， 查表 11-3， C 在 97~112， ， 取 C=110， 由式（7.1） 得 P 113 3 拖轮处选 A 型键 b  h  L=18 11 85 7. 5 轴的受力分析 1、 扭矩 T  145.9 N g 2、 求轴上作用力 d 276 齿轮径向力： Fr Ft tan  384.8 Q  FQ  sin 57.5 2  1057.3 N （7.2） （7.3） 沿啮合面方向的压轴力： FQ 3、 确定轴的跨距 876.0 l1  598 m l 图 7. 1 轴的结构简图 2  175.5 l 3 m =183 m 4、 校核强度 (1) 水平面计算： FAH = Q 598  175.5  593.1 BH = Q  (183 175.5 598) Fr 598  175.5 F F  598 3 N  mm  2739.0 N M M CHL CHR  FAH  FBH Q l3 526.310  l1  l2 354.6 10  480.7 10 N  mm 3 N mm 3M BH 3齿轮切向力： t 带轮压轴力： F  3410.1 183 F   75.5F F 2 2145.9 10 (2) 垂直面计算： FAV Ft  l1 l1  l  817.4 N FBV  Ft  FAV =239.9 N 3 N  mm M CVL  FAV l1 488.8 10 3 N  mm M CVR =FBV  l2 42.110 3 N  mm M BV =Ft  l2 185.6 10 （3） 合成弯矩 M CL M = = M M 2 CHL 2 +M +M 2 CV 2 = 603.9 10 N  mm =482.510 N  mm （7.4） CR CHR 2 +M 2 BV =558.110 CV 3 N  mm 3M B = M BH（7.5） （4） 截面 C 的校核 ce 2 CL (   ) 2 610.210 N  mm =800  -1 （7.6） =75MP 由《机械设计基础》 表 11. 4 得， 40Cr 材料的 0. 1 60 所以轴的强度足够。 4、 轴受力分析图 b ，   3M  M 3M  c e = =28.2MPa  75MP r1 t r t 7. 6 本章小结 图 7. 2 轴的受力分析图 轴是组成机器的重要零件之一。 轴的主要功用是支撑机器中的旋转零件， 保证 旋转零件有确定的工作位置， 并传递运动和动力， 本章通过对轴的设计和校核， 保 证轴在运转过程中平稳， 强度足够。 总 结 近三个月的毕业设计终于结束了， 通过这段日子的设计学习， 使自己的专业知 识和独立思考问题的能力有了很大的提高， 而且对于电脑软件的使用更加熟练， 也 使我对离心铸造有了进一步的了解。 在设计过程中在图书馆阅读了大量的书籍， 锻炼了自己的分析问题、 解决问题 的能力。 并受到老师的热心讲解和帮助， 使自己对机械设计过程有了较全面的认识， 在设计中遇到了很多问题， 所幸得到金老师的悉心指导， 一步一步解决困难。 毕业设计由于时间的短暂， 专业知识的欠缺， 以及参考资料的不足， 错误之处 在所难免， 恳请各位老师批评改正。 将对我走向社会从事本专业工作有着深远的影 响。 参考文献 [1] 中国机械工程学会铸造分会编. 铸造手册[M] 北京： 机械工业出版社 2008. [2] 张伯明. 离心铸造[M]. 北京： 机械工业出版社 2009 [3] 魏华胜. 铸造工程基础[M]. 北京： 机械工业出版社 2009. [4] 顾崇衔. 机械制造工艺学[M]. (第三版) 陕西科学技术出版社. 2004 [5] 徐灏. 机械设计手册[M]. (第 3 卷) 机械工业出版社， 2010 [6] 成大先. 机械设计手册[M]. （第 3 卷） 化学工业出版社， 2003 [7] 张恩生. 申铁固. 机械制造工艺系统学[M]. ： 交通大学出版社， 2000 [8] 李洪. 实用机床设计手册[M]. 北京： 机械工业出版社 2010 [9] 陈铁明. 机械设计[M]. 哈尔滨工业大学出版社 2003 [10] 杨淑子. 机械加工工艺师手册[M]. 北京： 机械工业出版社 2002 [11] 张莹. 机械设计基础[M]. 北京： 机械工业出版社 2002 [12] 邓文英. 金属工艺学[M]. 北京： 高等教育出版社 2001 [13] 刘新桥 . 水 冷金属型离心球铁 管渗漏缺陷研究[M]. 中国农机铸 造论 文集 1999. [14] 王振宇. 球墨铸铁管[M]. 北京： 冶金工业出版社， 2010 [15] 张伯明. 蠕墨铸铁的发展[M]. 铸造， 2004 [16] 邢豪. 对热模法离心铸管用涂料的浅见[M]. 铸造， 2003 [17] 李同友. 热模法离心铸造球铁管的生产[M]. 铸造， 2002 [18] Fachgemeinschaft Gusseisene Rohre. Handbuch Gussrohr Technik. Koeln， 2006 [19] Mechnical Design And Systems. Handbook H. A. Robthart， 2008 [20] Orlovp. Fundamentals of Macheine Design Moscow. Mir Pub， 2007 致 谢 首先， 感谢母校黑龙江工程学院四年来对我的教导。 在大学期间， 通过老师们 的谆谆教导， 我已具了一名本科学生应具有的基本素质。 特别是创新和实践能力。 我会把黑龙江工程学院的精神带到我工作的地方。 让人们了解我院的优良品德。 其次， 在这...
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