离心铸造机总体设计.pdf

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第一章绪论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，用的最普遍的是砂型铸造，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。

最常见的有如下几种：

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、真空吸铸；9、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，必须采用专门的设备离心铸造机（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，第一个专利是1809年由英国人Erchardt提出的，直到上世纪初才逐步推广于工业生产。

我国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厂。

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，其内径最小为8mm，最大为3000mm，铸件长度最大为8000mm，重量最小为几克（金属牙），最大可达几十吨。

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，如图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，其最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8595%，投产的合适最小批量为10010000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，离心铸造几乎是最主要的方法。

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mm500，厚度在mm0到mm100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：

rmF2=（2.1）如旋转速度以r/min为单位，则30/n=（2.2）20.01Fmrn=（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rm2的作用，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）/（3mkg，这部分液体金属产生的离心力成为有效重度gr/22=）m/N（3。

式中：

金属的重度）m/N（3该式表明旋转金属液的有效重度比在重力场中的重度大gr/2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：

xmrmX202cos=（2.4）在Y轴方向上的分力为：

ymrmY202sin=（2.5）在旋转轴方向上的分力为：

0=Z（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：

0=+zyxZdYdXd（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，zyxddd,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：

022=+yxydmxdm（2.8）将式（2.8）移项积分后，得如下方程式：

2022ryx=+（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。

Rr0OO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，金属质点从最高处（A端面上的一点）向最低处（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，所以液体金属在A端面处的圆周线速度aV最小，而在B段面上，圆周线速度bV最大，即baVV。

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：

bbaaFVFV=（2.10）式中aF、bF为A、B两断面的面积。

有前可知baVV。

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：

babaVVFF=（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baVV/值也相应的减少。

为了满足式2-11的要求，A、B两端面处的残留液层的端面面积值aF、bF就相应的相互接近，亦即B端面处的残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aV与bV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，最后，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0r，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2/drr，故微小单元的平均宽度为dadrr）2/（，如该单元在轴向上的长度为dz，则该单元的质量dadrdzdrrm）2/（=，质量中心处于旋转半径为）2/（drr的圆弧上，因此，这一微小单元所受的离心力为dadrdzdrr2）2/（，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：

Rdrr图2.2卧式离心铸型中液体金属的横断面drrdrrrdadzdadrdzdrrpdp）2（）2（222=（2.12）式2.12中rdr，故可把2/dr忽略不计，则式2-12变为：

rdrdp2=（2.13）对于2.13中，取0r至r处的定积分，得：

=rrrdrdp002（2.14）对式2.14中0、r各为自由表面和r处的离心压力。

所以，）

（2）（220222022rrgrrrpr=（2.15）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0r处起至外径r处，压力变化成抛物线规律分布，在R处为最大，即：

）（22022rrgrpr=（2.16）rp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：

rdv2212）（18=（2.17）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；1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21，v值为正，为异相质点的下沉速度；如21，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