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1、 本科學生畢業(yè)設計 離心鑄造機總體設計 系部名稱： 機電工程系 專業(yè)班級： 機械 08-12班 學生姓名： 周洋 指導教師： 金大橋 職 稱： 講師 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Centrifugal

2、 casting machine overall design Candidate：Zhou Yang Specialty：Mechanical Design and Manufacture & Automation Class：08-12 Supervisor：Lecturer. Jin Daqiao Heilongjiang Institute of Technology 2012-06Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 鑄造是一種液態(tài)金屬成型的方法。鑄件已廣泛應用于各工業(yè)部門和

3、日常生活中，其中通過離心鑄造而成的鑄件占相當大的比重，離心鑄造是將金屬液澆入旋轉的鑄型中，在離心力作用下填充鑄型而凝固成形的一種鑄造方法，離心鑄造是在離心機上進行的。離心鑄造分為立式和臥式兩種，臥式滾輪式離心鑄造機包括：鑄型，澆注系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，以及電器控制系統(tǒng)幾個部分。其工作過程包括：涂料，澆注，冷卻，拔模，本設計利用現(xiàn)有的一些新元件對鑄造機進行優(yōu)化設計，并采用PLC進行控制，使之操作方便，結構簡化，性能提升。本設計為滾筒式離心鑄造機，加工直徑，厚度在到之間的銅合金管型材料。 關鍵詞：鑄造；澆注系統(tǒng)；離心鑄造機；電器控制系統(tǒng)；滾筒式  ABSTRACT Castin

4、g is a way to take shape of mentel liquide. In all kinds of industrial departments and every day life， casts are used widely. Especially the cast which made by centrifugal technology.centrifugal casting is a way that you should pour the mentel liquide into a revolving model， then by the power of cen

5、trifugal force fill up model till that solidify. It performances on centrifugal casting machine. There are two ways，one is vertical and the other is horizontal. The horizontal contains the model，pour system，transimission system，and electronic control system.Its process is：pain，cool and take the mod

6、el out. This design takes use of exsited elements and controlled by PLC which operates more easily，simply but natural capacity is better. Keywords：casting；pour system；centrifugal casting machine；electronic control system；Drum type III 目 錄 摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

7、Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論……………………………………………………………………………1 1.1 概述……………………………………………………………………………1 1.2 離心鑄造機的發(fā)展過程……………………………………………………2 1.3 離心鑄造機的分類…………………………………………………………2 1.4 離心鑄造特點…………………………………………………………………3 1.5 離心鑄造基本原理……………………………………………………………4 1.6 離心鑄造的發(fā)展前景…………………………………………………

8、………4 1.7 本章小結………………………………………………………………………4 第2章 滾輪式離心鑄造機的原理分析…………………………………5 2.1 離心力………………………………………………………………………5 2.2 離心力場……………………………………………………………………5 2.3 有效重度………………………………………………………………………5 2.4 自由表面………………………………………………………………………5 2.5 離心壓力………………………………………………………………………7 2.6液體金屬中異相質(zhì)點的徑向運動…………………………………………9

9、 2.7 離心鑄造的縮補…………………………………………………………10 2.8 離心鑄件在液體金屬相對影響下的凝固特點…………………………10 2.9 本章小結………………………………………………………………14 第3章 金屬鑄型的設計……………………………………………………15 3.1 臥式滾筒離心鑄造機……………………………………………………15 3.2 鑄件類型選擇………………………………………………………………15 3.3 鑄型型體設計………………………………………………………………15 3.4鑄型端蓋和端蓋緊固裝置設計……………………………………………16 3.5滾

10、筒式離心鑄型的滾道和定位……………………………………………17 3.6 澆筑系統(tǒng)設計………………………………………………………………17 3.7 本章小結……………………………………………………………………18 第4章 電動機選擇…………………………………………………………………19 4.1 鑄型轉速………………………………………………………………19 4.2 離心鑄型壁厚………………………………………………………………19 4.3 離心壓力……………………………………………………………………20 4.4 電動機功率選擇…………………………………………………………20 4.5

11、本章小結…………………………………………………………………21 第5章 帶傳動的設計………………………………………………………22 5.1 V帶的設計………………………………………………………………22 5.2 帶輪結構的設計…………………………………………………………………23 5.3 本章小結……………………………………………………………………24 第6章 齒輪與帶輪的設計…………………………………………………………25 6.1 齒輪的設計…………………………………………………………………25 6.2 齒面接觸疲勞強度設計……………………………………………………25 6.3

12、 第五、六齒輪設計………………………………………………………………26 6.4 校核齒輪齒根彎曲疲勞強度……………………………………………………26 6.5 將幾何尺寸匯于表………………………………………………………………27 6.6 拖輪的設計………………………………………………………………………27 6.7 本章小結…………………………………………………………………………28 第7章 軸的設計及軸承與鍵的選擇…………………………………………29 7.1 估算軸的基本直徑………………………………………………………………29 7.2 軸的結構設計……………………………………………

13、………………………29 7.3 軸承的選擇………………………………………………………………………29 7.4 鍵的選擇…………………………………………………………………………29 7.5 軸的受力分析……………………………………………………………………30 7.5 本章小結…………………………………………………………………………32 結論………………………………………………………………………………………33 參考文獻 ………………………………………………………………………………34 致謝………………………………………………………………………………………35 第一章

14、緒 論 1.1 概論 鑄造是一種液態(tài)金屬成型的方法。在各種鑄造方法中，用的最普遍的是砂型鑄造，這是因為砂型鑄造不僅鑄件批量的大小，不受限制，而且鑄件的形狀，尺寸，重量及合金種類幾乎都不受限制。 隨著科學技術的不斷發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高以及人類社會生的需要，對鑄造生產(chǎn)提出了一系列新的，更高的要求，歸納起來，主要有如下三個方面： 1、要求大量生產(chǎn)同類型，高質(zhì)量而且穩(wěn)定性的鑄件，進一步提高鑄件的表面光潔程度，尺寸精度以及內(nèi)在質(zhì)量和機械性能； 2、進一步簡化生產(chǎn)工藝過程，縮短生產(chǎn)周期，便于實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程機構化，自動化，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件； 3、減少生產(chǎn)原材料的消耗，

15、降低生產(chǎn)成本。 為了實現(xiàn)上述要求，近幾十年來，鑄造工作者在繼承，發(fā)展古代鑄造技術和應用近代科學技術成就的基礎上，發(fā)明了許多新的鑄造方法，為了有別于砂型鑄造，人們把這些新的鑄造方法統(tǒng)稱為特種鑄造。最常見的有如下幾種： 1、熔模鑄造； 2、金屬型鑄造； 3、壓力鑄造； 4、離心鑄造； 5、陶瓷型鑄造； 6、低壓鑄造； 7、液體金屬沖壓； 8、真空吸鑄； 9、連續(xù)鑄造，等等 特種鑄造就是在造型材料，造型方法，金屬液的充型形式和金屬在型中的凝固條件等方面與普通砂型鑄造有顯著差別的鑄造方法。 離心鑄造是將液體金屬澆入旋轉的鑄型中，使之在離心力作用下，完成填充和凝固成型的一種鑄造方

16、法。為實現(xiàn)這種工藝過程，必須采用專門的設備——離心鑄造機（簡稱離心機），提供使鑄型旋轉的條件。 1.2離心鑄造機的發(fā)展過程 離心鑄造發(fā)展至今已有幾十年的歷史，第一個專利是1809年由英國人Erchardt提出的，直到上世紀初才逐步推廣于工業(yè)生產(chǎn)。我國30年代開始采用于生產(chǎn)鑄鐵管?，F(xiàn)在離心鑄造已經(jīng)是一種應用廣泛的鑄造方法，常用于生產(chǎn)鑄管，銅套，缸套，雙金屬鋼背銅套等。對于像雙金屬軋錕，加熱爐滾道，造紙及干燥滾筒及異型鑄件（如葉輪）等，采用離心鑄造也十分有效。目前已有高度機械化，自動化的離心鑄造機，有年產(chǎn)量達數(shù)十萬噸的機械化離心鑄管廠。 在離心鑄造中，鑄造合金的種類幾乎不受限制。對于中空鑄件

17、，其內(nèi)徑最小為8mm，最大為3000mm，鑄件長度最大為8000mm，重量最小為幾克（金屬牙），最大可達幾十噸。 1.3離心鑄造機的分類與應用 近年來，離心鑄造機發(fā)展很快，類型日益增多，因而分類方法也很多。 根據(jù)鑄型旋轉軸在空間位置的不同，常用的離心機分為： 1、立式離心鑄造機 2、 臥式離心鑄造機 立式離心鑄造的鑄型是繞垂直軸旋轉的，如圖1.1立式離心鑄造示意圖所示，在這種機器上的鑄造過程稱為立式離心鑄造。它主要用于生產(chǎn)高度小于直徑的圓環(huán)類鑄件。由于在這種機器上安裝及穩(wěn)固鑄型比較方便，因此，不僅可以采用金屬型，也可采用砂型，熔模型殼等非金屬型。 臥式離心鑄造機的鑄型是繞水平軸旋

18、轉的，如圖1.2臥式離心鑄造示意圖所示，在這種機器上的鑄造過程成為臥式離心鑄造。它主要用來生產(chǎn)長度大于直徑的套筒類或管類鑄件。 圖1.1 立式離心鑄造示意圖 1-澆包 2-鑄型 3-液體金屬 4-皮帶輪和皮帶 5-旋轉軸 6-鑄件 7-電動機 圖1.2 臥式離心鑄造示意圖 1-澆包 2-澆注槽 3-鑄型 4-液體金屬 5-端差 6-鑄件 其中，臥式離心鑄造又可以分為：1、懸臂臥式離心鑄造；2、在滾筒式離心鑄造機上的臥式離心鑄造；3、水冷金屬離心鑄管。 立式離心鑄造可分為：1、圓環(huán)形鑄件的立式離心鑄造；2、成形鑄件的立式離心鑄造。 1.4離心鑄造的特點 由于離心鑄造時，

19、液體金屬是在旋轉情況下充填鑄型并進行凝固的，因而離心鑄造便具有下述的一些特點： 1、液體金屬能在鑄型中形成中空的圓柱形自由表面，這樣便可不用型芯就能鑄出中空的鑄件，大大簡化了套筒，管類鑄件的生產(chǎn)過程； 2、由于旋轉時液體金屬所產(chǎn)生的離心力作用，離心鑄造工藝可提高金屬充鎮(zhèn)鑄型的能力，因此一些流動性較差的合金和薄壁鑄件都可用離心鑄造法生產(chǎn)； 3、由于離心力的作用，改善了補縮條件，氣體和非金屬夾雜也易于自液體金屬中排出，因此離心鑄件的組織較致密，縮孔（縮松）、氣孔、夾雜等缺陷較少； 4、消除或大大節(jié)省澆注系統(tǒng)和冒口方面的金屬消耗； 5、鑄件易產(chǎn)生偏析

20、，鑄件內(nèi)表面較粗糙。內(nèi)表面尺寸不易控制。 1.5離心鑄造基本原理 根據(jù)力學中的慣性原理，處于旋轉狀態(tài)下的金屬液質(zhì)點相應地產(chǎn)生了離心力，所以金屬液在離心力作用下凝固成形式離心鑄造的一大特點。 1.6離心鑄造的發(fā)展前景 鑄型的大小可由零點幾公斤至十多噸，其最小的壁厚優(yōu)于同類的常壓鑄造，鑄件材料決定鑄件的表面粗糙度和鑄件尺寸，金屬收縮率可達到85～95%，投產(chǎn)的合適最小批量為100～10000件，生產(chǎn)率可達高中機械化程度。 由于離心鑄造的上述優(yōu)點，應用越來越廣泛，在生產(chǎn)一些管、套類鑄件如鑄鐵管、銅套、缸套、雙金屬鋼脊銅套時，離心鑄造幾乎是最主要的方法。此外在耐熱鋼管道、特殊無縫鋼管、毛坯、

21、造紙機干燥滾筒等方面，離心鑄造將發(fā)揮更大的作用。 1.7本設計內(nèi)容 隨著科學技術的不斷發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高，離心鑄造技術應用的越來越廣泛，優(yōu)點多，前景可觀，滿足人類的需要。本設計為滾筒式離心鑄造機，加工直徑，厚度在到之間的銅合金管型材料。  第二章 滾輪式離心鑄造機的原理分析 2.1 離心力 作用在旋轉體上的離心力與旋轉半徑成正比，與角速度的平方成正比： （2.1） 如旋轉速度以r/min為單位，則

22、 （2.2） （2.3） 式中：n—為金屬液質(zhì)點的旋轉速度（r/min） r—液體金屬任意點的旋轉半徑（cm） g—重力加速度 m—金屬液質(zhì)點的質(zhì)量（kg） 2.2離心力場 在旋轉液體所占空間中，每一質(zhì)點都受到離心力的作用，因此，可把這一空間稱為離心力場。其中為離心力加速度，方向遠離旋轉中心。 2.3有效重度 離心力場中單位體積液體金屬的質(zhì)量就是它的密度，這部分液體金屬產(chǎn)生的離心力成為有效重度 。 式中：—金屬的重度 該式表明

23、旋轉金屬液的有效重度比在重力場中的重度大倍。 2.4自由表面 圖1.2 所示為臥式離心鑄造時，在自由表面上任取一個質(zhì)點M，其質(zhì)量為m，若不考慮重力場的影響，則作用在該質(zhì)點的離心力為在X軸方向上的分力為： （2.4） 在Y軸方向上的分力為： （2.5） 在旋轉軸方向上的分力為： （2.6） 有水力學的歐拉公式可知，當液體質(zhì)點受力的作用，在等壓面上作微小位

24、移時，應滿足下述條件： （2.7） 式中，X，Y，Z分別為質(zhì)點M在x，y，z軸方向上所受的力，分別為質(zhì)點M在x，y，z軸方向上微小位移的投影。 將（2.4）、（2.5）、（2.6）代入式（2.7），得： （2.8） 將式（2.8）移項積分后，得如下方程式： （2.9） 此為圖2-1的方程式，其半徑為液體的內(nèi)半徑，圓的中心與液體

25、金屬的旋轉軸線相重合。因此可以推論，臥式離心鑄造時，如果不考慮重力場的影響，則液體金屬的自由表面位移旋轉軸為軸線的圓柱面。 圖2.1 臥式離心鑄造時液體金屬自由表面的形狀 實際上由于存在著重力場的影響，所以在臥式離心鑄造時液體金屬邊面（圓柱面）的中心將向下移動e距離。因為液體金屬作圓周運動時，金屬質(zhì)點從最高處（A端面上的一點）向最低處（B端面上任一點）移動時，在重力場的影響下，其速度將增加，而當液體金屬質(zhì)點自A端面向B端面移動時，其速度將增大，所以液體金屬在A端面處的圓周線速度最小，而在B段面上，圓周線速度最大，即。 根據(jù)水力學的連續(xù)流原理，可把水平旋轉液體金屬的運動視為在有自由表面

26、和鑄型所組成的封閉圓環(huán)內(nèi)的運動。所以應得： （2.10） 式中、為A、B兩斷面的面積。 有前可知，所以。在臥式離心鑄造時，因鑄件長度在各處都為一定值，所以液體金屬在作圓周運動時就自動地調(diào)整A、B兩端面處的厚度，A端面處的厚度增加，B端面處的厚度減薄，從而出現(xiàn)液體金屬圓柱形自由表面向下偏移的現(xiàn)象，其軸線下移e值。 這種自由表面向下偏移的情況是不會在凝固后的鑄件內(nèi)表面上遺留下來的，因為在鑄件凝固的過程中，由于它是從外壁向自由表面結晶的，并且壁型在同一圓周上的冷卻作用基本都是一樣的，靠近內(nèi)表面一側的液體金屬環(huán)的厚度將以同樣的冷卻速度減薄。如將

27、式（2.10）改寫為： （2.11） 則在凝固過程中，由于A端面上的殘留層與B端面上的殘留層間的厚度差別會逐漸減小，顯然式2.11中的值也相應的減少。為了滿足式2-11的要求，A、B兩端面處的殘留液層的端面面積值、就相應的相互接近，亦即B端面處的殘留液體層的厚度自動調(diào)整至與A端面處的殘留液體層的厚度相等，自由表面的偏移現(xiàn)象隨著鑄件凝固的增長而逐漸消失。 此外，隨著鑄件凝固過程的進行，液體金屬的溫度不斷降低，粘度增大，故金屬液體由A端面向B端面的運動會隨著金屬粘度的增加而遇到越來越

28、大的阻力。同樣，有B端面向A端面的減速運動也越來越難以進行。這樣，就使與的差值不斷減小。因此在臥式離心鑄造時，液體金屬自由表面的偏移現(xiàn)象將隨著鑄件凝固的過程而逐漸消失，最后，鑄件的內(nèi)表面將不會出現(xiàn)偏心。 至于在實際生產(chǎn)中所遇到的鑄件內(nèi)表面偏心現(xiàn)象，主要是由于鑄型的軸線與離心鑄造機不重合而引起的。 2.5離心壓力 離心鑄造時，液體金屬內(nèi)部的重力場與鑄件壁上的重力場一樣，也會受到液體金屬的壓力作用，這種壓力稱為離心壓力。離心壓力的大小及分布情況由其本身的特點決定，現(xiàn)介紹如下： 圖2.2所示為截取臥式離心鑄型中液體金屬的橫斷面，其外徑為，內(nèi)徑為，旋轉速度為，現(xiàn)在旋轉的液體金屬中取一微小單元，

29、其旋轉半徑為，厚度為， 外邊邊長為，內(nèi)邊邊長為，故微小單元的平均寬度為，如該單元在軸向上的長度為，則該單元的質(zhì)量，質(zhì)量中心處于旋轉半徑為的圓弧上，因此，這一微小單元所受的離心力為，這一離心力作用在為小單元旋轉半徑處的液體金屬面處，該面的面積為，所以，有微小單元所受離心力引起的離心壓力為： 圖2.2 臥式離心鑄型中液體金屬的橫斷面 （2.12） 式2.12中，故可把忽略不計，則式2-12變?yōu)椋? （2.13） 對于2.13中，取至處的定積分，得：

30、 （2.14） 對式2.14中、各為自由表面和r處的離心壓力。所以， （2.15） 式中：—液體金屬的重度 —重力加速度 由式2.15可知，臥式離心鑄造時，液體金屬中的等壓面是以旋轉軸為軸線的圓柱面，旋轉半徑不同時，離心壓力值也不同，從自由表面處起至外徑處，壓力變化成拋物線規(guī)律分布，在處為最大，即： （2.16） —就是旋轉中液體金屬對旋轉型壁作用的離心力

31、 2.6 液體金屬中異相質(zhì)點的徑向運動 液體金屬中的異相質(zhì)點主要有：澆注時隨液體金屬進入鑄型的夾雜物或氣體，液體金屬中不能互溶的合金組元即凝固過程中分析出的晶粒和氣體等。這些異相質(zhì)點與液體金屬的重度各不一樣。在重力場中，它們的上浮或下沉的速度可根據(jù)斯托克斯公式確定，即： （2.17） 式中：—顆粒的沉浮速度，正值為沉，負值為??； —異相質(zhì)點顆粒的直徑； —金屬液的密度； ——異相質(zhì)點顆粒的密度； —金屬液的動力粘度。 若，值為正，為異相質(zhì)點的下沉速度；如，值為負，為異相質(zhì)點的上浮速度

32、。 離心鑄造時，旋轉液體金屬中異相質(zhì)點的下沉與上浮同重力場的規(guī)律相似，但這時是沿徑向自由表面內(nèi)浮或向型壁處外沉。內(nèi)浮外沉的速度可參照斯托公式來確定。由于重力場與離心力場的性質(zhì)相似，此時，只要將離心加速度代替重力加速度，則得： （2.18） 將式2.18代入2.17得： （2.19） 由式2-19可見，離心鑄造時，液體金屬中異相質(zhì)點的沉浮速度比重力鑄造時大好多倍，所以重度比液體金屬小的氣體或某些夾雜物就較容易浮至自由表面。這就是離心鑄造中氣孔，夾

33、雜等缺陷可顯著減少的原因。當然，在鑄件的內(nèi)表面上會有較多的異相加雜物存在。 在大多數(shù)情況下，凝固時析出的晶粒，其重度比液體金屬大。因此，離心鑄造時，析出的晶粒有更大的趨勢向外表面或晶粒前沿移動。同樣，液體金屬中溫度較低的部分也較易向外表面集中。此外，離心鑄造的散熱過程又是通過鑄型型壁進行的。所有這些都為離心鑄件由外表面向內(nèi)表面的順序凝固創(chuàng)造了更有利的條件。這樣，促使結晶的成長速度增大，縮小結晶前沿的固、液相共存區(qū)，減小鑄件中形成縮孔、縮松的傾向，所以離心鑄件的組織比一般鑄件致密。 過共晶鑄鐵及鋁硅合金，最初析出的是石墨和初生硅，它們的重度比液體金屬小，在離心鑄造時容易內(nèi)浮，從而破壞了由外相

34、內(nèi)的順序凝固，是鑄件內(nèi)表面過早的出現(xiàn)凝固層，造成雙向凝固現(xiàn)象。這樣，處于內(nèi)外凝固層之間的金屬液體繼續(xù)冷卻，液體金屬將趨于緊靠型壁，從而使內(nèi)表層下出現(xiàn)縮孔及偏孔。若凝固時收縮比較大，將使內(nèi)表層處于懸浮狀態(tài)，在旋轉鑄型中，它將與層間的液體金屬發(fā)生頻繁碰撞而碎成小塊，當凝固后鑄件的內(nèi)表層就出現(xiàn)坑洼不平。 2.7離心鑄造的縮補 一般來說，鑄件中的縮松主要是由于凝固時在枝晶間形成的空穴不能得到補縮所造成的。空穴能否及時得到補縮，與液體金屬流經(jīng)補縮通道時克服阻力的能力有關。當凝固收縮時，液體金屬已接近凝固相線溫度，其粘度較大，枝晶間的補縮通道又窄又曲折。需克服的阻力較大，離心鑄造時液體金屬質(zhì)點是按重力

35、系數(shù)的倍數(shù)加重的，其運動方向又指向由外壁向內(nèi)表面進行移動的凝固層，這就創(chuàng)造了較好的補縮條件，使液體金屬能通過枝晶間的細小縫隙，對空穴處進行補縮。同時，液體金屬在補縮通道沿徑向向外進行補縮時，隨著旋轉半徑增大，質(zhì)點所受的離心力越大，克服阻力的能力也就越大，在補縮縫隙中的移動速度也就越來越快，為隨后進入縫隙的液體金屬創(chuàng)造了更好地流動補縮條件，故離心鑄造的組織較為致密。 2.8離心鑄件在液體金屬相對影響下的凝固特點 在離心鑄件的斷面上會出現(xiàn)兩種獨特的宏觀組織，即傾斜的柱狀晶和層狀偏析。 一般情況下，柱狀晶的生長應按與散熱方向相反的規(guī)律進行，這樣，離心鑄件和斷面上的柱狀晶應在徑向上由鑄件的外壁向

36、內(nèi)表面生長。然而，在一些離心鑄件的橫斷面上卻可見到傾斜柱狀晶，其傾斜方向與逐漸成形時的旋轉方向一致，在鑄件外層晶體傾斜度較大，越往內(nèi)層傾斜度越小。此外，離心鑄件橫斷面上的層狀偏析組織是按同心圓的形式分層分布的，且各層中的化學成分和微觀組織也有差別。對鑄件的工作性能有較大的影響，這兩種現(xiàn)象都與離心鑄造時液體金屬相對運動有關。 1、離心鑄造橫斷面上液體金屬的相對運動及其鑄件結晶的影響 離心鑄造時，在鑄型斷面上可能出現(xiàn)下述三種情況的液體金屬相對運動； （1）由于鑄型轉速太低引起的相對運動 臥式離心鑄造時，如果鑄型的轉速太低，則進入鑄型的液體金屬就不能被鑄型卷起在其內(nèi)表面上形成厚度均勻地圓環(huán)形

37、液層，隨鑄型作圓周運動，而只是被鑄型卷高一些，由型壁流下來，或被鑄型卷到較高的部位，有脫離鑄型散落下來，使鑄型下放聚著大量的液體金屬，隨著鑄型的旋轉運動，液體金屬不斷卷起又散落下來，引起劇烈的流動，破壞了離心鑄造的形成過程。因此，應避免這種現(xiàn)象。 （2）由于重力場引起的液體金屬脈動現(xiàn)象 上面已提到，由于重力場的影響，繞水平軸旋轉的液體金屬，當它由上往下運動時，其切向運動速度會增大，而當它從下往上運動時，其切向運動速度會減小?？墒牵T件本身卻作等速旋轉運動。因此，鑄件與液體金屬便發(fā)生了相對運動。如前所述，這種相對鑄型時而超前，時而滯后的液體金屬脈動現(xiàn)象隨著液體金屬溫度降低和結晶層的成長會很快

38、的減弱，如果在考慮到這種時而加速時而減速在旋轉過程中的變化是周期性的，而液體金屬的平均轉速仍和鑄型一樣，那么相對于鑄型或鑄件層的液體金屬周期性變化運動的影響可以相互抵消。 (3)由于慣性作用引起的相對運動 離心鑄造時通常是先啟動鑄型，然后進行澆注，最初進入鑄型中的液體金屬雖然能在極短的時間內(nèi)被鑄型帶動作圓周運動，但由于慣性作用，它們不能立刻獲得與鑄型一樣的旋轉角速度，而是以較小的角速度隨同鑄型旋轉。因此，不僅液體金屬與鑄型之間有相對運動，而且液體金屬從內(nèi)向外的層與層之間也有相對運動。只是經(jīng)過一段時間后，全部液體才有可能被帶動與鑄型作同一速度的圓周運動，此時相對運動才會消失，這一現(xiàn)象已被實驗

39、所證實。 如上所述，在靠近型壁處，液體金屬的相對運動速度較小，而靠近自由表面處相對運動速度較大。根據(jù)液體金屬的粘度，相對運動速度的大小和液體金屬層厚度的不同，液體金屬層內(nèi)可能出現(xiàn)現(xiàn)紊流或?qū)恿?，其變化過程如圖2-3所示，當液體金屬剛進入鑄型后，及時在靠近鑄型壁的液體金屬層中很可能立刻形成一層薄的層流層，經(jīng)過一段時間后，隨著相對運動的減小，靠近型壁的流層增厚，紊流層減薄。必須指出，在層流層和紊流層之間可能不是如圖所示那樣有明顯的界面，而是兩者之間有一逐漸變化的過度層，制止紊流層消失，全部變成層流層。隨著時間的推移，層流層內(nèi)部相對運動速度逐漸減小，最后液體金屬與金屬鑄型處于相對靜止狀態(tài)。 圖

40、2.3 液體金屬層出現(xiàn)紊流的變化過程 顯然，在相對運動的變化過程中，液體金屬也同時由外層向內(nèi)層結晶。這樣，在不同的時刻，不同的運動狀態(tài)下，鑄件內(nèi)部的結晶組織相應也將有所不同。 紊流將影響液體金屬中異相質(zhì)點的正常浮動，使溫度不同或季節(jié)不同的組分隨液體金屬做紊亂運動，從而，縮小前沿液體金屬層的溫度梯度，重度較大的晶粒被分散在寬大的固液相共存區(qū)中成為新的晶核。 當結晶前沿是出在層流的液體金屬時，首先，由于離心力場作用引起異相質(zhì)點沿徑向移動可能進行，因此，在結晶前沿液體金屬的溫度梯度增大，且凝聚著較多的細結晶?；蚶浣饘偌瘓F，這就有利于柱狀晶的成長。 其次，由于管型的作用，液體金屬隨著鑄型以同一

41、角速度旋轉的結晶前沿在圓周方向存在著相對運動。這樣，結晶前沿與液體金屬中析出的那些處于不穩(wěn)定狀態(tài)的細晶?；蜻^冷金屬集團有較多的接觸機會，為了降低系統(tǒng)的自由能，它們?nèi)菀壮练e在生長著的晶體上使結晶在迎著液流方向的一面具有較快的生長速度。而在背著液流方向的一面，由于晶體與液流金屬中的細晶?；蜻^冷金屬集團接觸機會較少，故晶體的生長速度較慢。 由于上述原因，最后結晶形成了與鑄型旋轉方向一致的傾斜柱狀晶。 2、離心鑄型縱斷面上液體金屬的相對運動及其對鑄件結晶的影響。 在生產(chǎn)較長的管狀離心鑄件時，進入鑄件的液體金屬除了沿圓周方向覆蓋鑄型內(nèi)表面外，還會沿內(nèi)表作軸向運動，來完成充填成型過程。此時會出現(xiàn)如圖

42、所示的層狀流動現(xiàn)象。 澆注時，當?shù)谝还梢后w金屬流入鑄型后，在其本身初速度的影響和離心壓力下，向鑄型的前后兩端流動。隨后，由于鑄型的冷卻作用，液體金屬的粘度增大，流動速度逐漸降低。如圖2.4所示，當?shù)谝还梢后w金屬越流越慢時，隨后澆入鑄型的液體金屬沿地一股液流的內(nèi)表面作軸向運動。由于內(nèi)表面溫度較高，所以第二股液流溫度降低較慢，能保持較高的流動速度，最后超越第一股金屬流的前端，繼續(xù)向前流動一段距離，第三股金屬液體繼續(xù)澆入金屬鑄型，液體金屬將重復上述過程，這就是離心鑄造長管鑄件時，鑄件中液體金屬的軸向流動特點。 圖2.4 澆入液體金屬時的形狀 必須指出，液體金屬在作軸向流動的同時，由于前鑄件

43、橫斷面上液體金屬因慣性原因所引起的轉速滯后現(xiàn)象，所以實際上液體金屬是按螺旋狀的路線，從鑄型的一端向另一端流動的(如圖2.5所示)。離心鑄件外表上的螺旋狀金屬留痕便是這種狀態(tài)的證明。 圖2.5 金屬液的流動路線 如果鑄型中液體在作層狀流動時溫度降低較快，使得后一股金屬在覆蓋前一段的內(nèi)表面時，兩者不能很好的融合在一起。這樣，各液層均按各自條件進行凝固，因而各層的金相組織，單元的分布也會有所不同。最后在離心鑄件斷面上便形成了層狀偏析的結晶組織。這種層狀偏析組織，在金屬鑄型離心鑄造鑄鐵件、鑄鋼和各類銅合金時常有發(fā)生。 降低鑄件的冷卻作用，提高澆

44、注溫度，是減少或消除離心鑄造中層狀偏析的有效工藝措施。 2.9本章小結 離心鑄造時，析出的晶粒有更大的趨勢向外表面或晶粒前沿移動。同樣，液體金屬中溫度較低的部分也較易向外表面集中。此外，離心鑄造的散熱過程又是通過鑄型型壁進行的。  第三章 金屬鑄型設計 3.1臥式滾筒離心鑄造機 特點：在澆注小車上裝有防護罩，當澆注時，澆注槽伸至型筒內(nèi)時，防護罩擋住型筒的端面，防止金屬液從鑄型內(nèi)飛出傷人，兩支撐輪與鑄型中心連線的夾角為90到120度。 表3.1 可鑄造鑄件的尺寸 鑄件直徑（mm） 鑄件最小內(nèi)徑（mm） 鑄件長度（mm） 500 400 1000 3.2鑄件類

45、型選擇： 金屬型：常用金屬型生產(chǎn)管狀，筒狀，環(huán)狀的離心鑄件，與砂型離心鑄造相比，它有如下優(yōu)點： 1、工藝過程簡單 2、生產(chǎn)率高 3、鑄件外表面尺寸精度高 4、鑄件無夾砂，脹型等缺陷 5、工作環(huán)境改善 其缺點： 1、鑄鐵件上易產(chǎn)生白口。 2、鑄件外表面上易產(chǎn)生氣孔 3、鑄型成本高如下圖所示是滾筒式離心金屬型示意圖： 圖3.1 滾筒式離心金屬型 3.3鑄型型體設計 金屬型型體的失效主要由熱應力和熱應力疲勞所引起，故決定型體壁厚時應

46、在滿足必要的強度和剛度的前提下，盡可能取較小的數(shù)值，在鑄型不用水冷卻的情況下，單層金屬型的壁厚應保證具有足夠的吸熱能力，以免工作時溫度升得太高，單層金屬型和內(nèi)型的型體壁厚一般為鑄件壁厚的0.8--5倍，反之倍數(shù)應較小，最小壁厚不能小于15mm，鑄件長時，型壁應較厚。 3.4鑄型端蓋和端蓋緊固裝置設計 1、端蓋：常用鑄鐵或碳鋼制造。選擇平端蓋，結構圖： 圖3.2 鑄型端蓋示意圖 特點：常用于小直徑鑄件的生產(chǎn)，加工容易，鋼質(zhì)的易變形。 注意：端蓋的內(nèi)孔最好有向型腔擴大的斜度，以免當端蓋內(nèi)孔上粘有凝固的金屬時，使之取下端蓋發(fā)生困難。如下圖所示

47、： 圖3.3 鑄型端蓋斜度 2、鑄型端蓋的固定：離心端蓋鑄型的固定必須滿足當鑄型轉動時能牢固于鑄型，以防掉下傷人或金屬液經(jīng)端蓋與鑄型接縫流出型外，當鑄型不轉時，端蓋拆卸必須方便。 圖3.4 端蓋的固定裝置結構 緊固工具用銷子，原因：1、銷子大端必須指向鑄型軸線，銷孔可為圓柱孔。 2、使用方便，工作可靠， 3、加工較易， 4

48、、銷子較易損壞丟失。 5、澆注時從端蓋內(nèi)孔溢出的金屬液易把銷子粘住，使 端蓋銷子不易取下。 表3.2 銷孔的技術數(shù)據(jù) 鑄型內(nèi)徑（mm） 〈=200 201—400 401—600 601—1000 銷孔直徑(mm) 15—20 20—25 25—30 >30 孔數(shù)（個） 3 3—4 4 6 注意：為防止?jié)沧r從端蓋溢出的金屬液粘住固定元件，可在端蓋上做一擋圈。 3.5滾筒式離

49、心鑄型的滾道和定位 滾筒式離心鑄型的滾道面應有較細的粗糙度（RA1.6—0.4微米）和較好的同軸度，防止在轉動時出現(xiàn)大的震動，為防止鑄型在機器軸上的移動，鑄型得滾道形狀及其與離心鑄造機支承輪間的配合方式可選擇設計為： 圖3.5 鑄型與支撐輪的配合方式 注意：擋圈不能做在輪緣的內(nèi)側，因為金屬型工作時受熱發(fā)生軸向膨脹，會使擋圈與支承輪卡住，機器出現(xiàn)故障。 結構特點：1、加工較復雜，需要粗的毛坯制造； 2、依靠滾道凸緣防止鑄型軸向轉動。 3.6澆注系統(tǒng)設計 離心鑄造時的澆注系統(tǒng)主要指接受金屬的澆杯和與之相連的澆注槽，有時

50、還包括鑄型內(nèi)的澆道，澆注系統(tǒng)應滿足下述要求： 1、澆注長度長，直徑大的鑄件時，澆注系統(tǒng)應使金屬液較快的均勻的鋪在鑄型的內(nèi)表面上。 2、澆注易氧化金屬液，或采用離心砂型時，澆注槽應使金屬液能平穩(wěn)的填充鑄型，盡可能減少金屬液的飛濺，減弱對砂型的沖刷。 3、澆注成型鑄件時，鑄型內(nèi)的澆道應能使金屬液順利流入型腔。 4澆注終了后，澆杯和澆注槽內(nèi)應不留金屬和熔渣，若有應易于清除。 澆注定量： 離心鑄件內(nèi)徑常由澆注金屬液的數(shù)量決定，故在離心澆注時必須控制澆入型內(nèi)的金屬液數(shù)量以保證內(nèi)徑的大小。 離心澆注定量法： 采用重量定量法：

51、即用一定內(nèi)形的澆包取一定重量的金屬液，一次性的澆入鑄型之中， 應用情況：定量不太準確，但操作方便，大量生產(chǎn)，連續(xù)澆注時應用較廣泛。 以上澆注系統(tǒng)的設計均參照鑄造手冊第六卷684，685頁，以及表（7.23）。結構示意圖如下所示： 圖3.6 澆注系統(tǒng) 采用管式澆注杯，見特種鑄造手冊表（7.22） 澆注溫度：1100度 脫型溫度：500度 鑄型預熱溫度：200度。 鑄型工作溫度：150度。 3.7 本章小結 離心機使用的時候要注意安全，為了保證金屬液不飛濺出來，要保證鑄型的穩(wěn)定轉動，使鑄型在水平方向和豎直方向都得到很好的固定  第四章 電動機的選擇 4.

52、1鑄型轉速 鑄型轉速是離心鑄造時的重要工藝因素，不同的鑄件，不同的鑄造工藝，逐漸成形式的鑄型轉速不一樣，過低的鑄型轉速會使立式離心鑄造時的金屬液沖型不良，臥式離心鑄造使出現(xiàn)金屬液雨淋現(xiàn)象，也會使鑄件出現(xiàn)疏松，夾渣，鑄件內(nèi)表面凹凸不平等缺陷，鑄型轉速太高，鑄件易出現(xiàn)裂紋，偏析等缺陷，砂型離心鑄造外表面會形成脹箱等缺陷，太高的鑄型轉速也會使機器出現(xiàn)大的振動，磨損加劇，功率消耗過大，所以鑄型轉速的選擇原則應是在保證鑄件質(zhì)量的前提下，選取最小的數(shù)值。 利用經(jīng)驗公式計算鑄型得轉速，利用特種鑄造手冊682頁的康斯坦丁諾夫公式： n= （4

53、.1） 式中：—鑄型轉速（r/min） —鑄件內(nèi)半徑() —修正系數(shù) —鑄件合金重度(N/) 設鑄件為銅合金，密度：8.2g/ 計算重度為： (N/) 表4.1 康斯坦丁諾夫公式修正系數(shù) 離心鑄造類型 銅合金臥式離心鑄造 銅合金立式 鑄 鐵 鑄 鋼 鋁合金 1.2—1.4 1.0—1.5 1.2—1.5 1.0—1.3 0.9—1.1 ，實際轉速要大于計算轉速，所以取 4.2離心鑄型壁厚 此離心鑄造機的鑄件最大外徑為500毫米，長度為1000毫米，查表（7.10），離心鑄造手冊。壁厚選為20毫米。 4.3離心壓力（鑄型內(nèi)金

54、屬推開端蓋的離心壓力） 一般，銷子和壓板都能使端蓋可靠的緊固，型內(nèi)金屬液難以推開端蓋，為安全起見，故設計時應作適當?shù)淖饔昧z查，鑄型內(nèi)金屬液推開端蓋的離心壓力計算公式（6.2） （4.2） 式中：p —金屬液推開端蓋的壓力。 R —金屬液的重度（ ） n —鑄型旋轉速度（r/min ） g —重力加速度，g=9.8m/ R —鑄型內(nèi)半徑 —鑄件內(nèi)半徑 所以： 4.4電動機功率選擇 帶動鑄型旋轉的電動機以在啟動鑄型，克服鑄型慣性達一定轉速時所需的功率為最大，所以離心鑄造機上電動機應按啟動時所需功率進行選擇：

55、 （4.3） 式中： ----機器上各傳動件啟動時所需功率總和， —某一傳動件質(zhì)量（kg） —某一轉動件的最大旋轉直徑（m） —某一轉動件在啟動后的最大轉速 k—安全系數(shù)。1.1—1.3 —傳動效率安全系數(shù)，一般取0.7—0.8 t—啟動時間，一般取4—8秒 計算如下： 選擇電動機為Y160M-4，1460r/min，功率為11kw.同步1500r/min 4.5 本章小結 正確的選擇電動機對離心鑄造很重要，功率過大造成浪費

56、，功率過小，達不到要求，電動機輸出的功率，通過帶傳動和齒輪傳動都會有小部分的損耗，所以電動機的功率選擇時，略大于所需的功率就好。  第五章 帶傳動的設計 5.1 V帶的設計 1、傳動比的分配 已知電動機型號為：Y160M-4，1460r/min，功率為11kw.同步1500r/min 總傳動比，取 2、確定計算功率 由《機械設計基礎》表8.6查得，工作情況系數(shù) 所以： 3、選擇窄v帶帶型 根據(jù)，查《機械設計基礎》圖8.12選用B型V帶 4、確定帶輪基準直徑 由《機械設計基礎》表8.4取主動輪基準直徑=125mm.則從動輪基準直徑=，根據(jù)《機械設計基礎》表

57、8.7，取 驗算帶的速度： <25m/s帶的速度合適. 5、確定窄v帶的基準長度和傳動中心距 根據(jù)初步確定中心距=400mm. 帶所需的基準長度： =mm 查《機械設計基礎》表8.2選帶的基準長度 計算實際中心距： mm 6、驗算主動輪上上的包角 ，主動輪上的包角合適 7、計算窄v帶的根數(shù)z ，由，=125mm.i=2，查《機械設計基礎》表8.6、8.7得：=2.19kw，=0.46kw， 查《機械設計基礎》表8.8得：=0.96，查表8.3得=0.90，所以： ，取6 8、計算預緊力 查表8.2得：q=0.17kg/m，所以， 9、計算作用在軸

58、上的壓軸力 5.2帶輪的結構設計 由于主動輪Z=7，所以采用實心式， 從動輪：基準直徑<300mm，可采用腹板式。 由《機械設計基礎》表8.5推出，厚度：mm，取140mm。 5.3 本章小結 帶傳動不但傳遞動力，還可以起到減速的作用，選擇合適的傳動比，能夠協(xié)調(diào)零件的尺寸，對設計的整體結構有影響。  第六章 齒輪與帶輪的設計 6.1齒輪的設計 1、齒輪材料的選擇 查《機械設計基礎》表5.4選用6級直齒，日工作15小時，300天，兩班制。小齒輪為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度55HRc，圖5.28（e）接觸疲勞強度極限 ，圖5.27（d）彎曲疲勞強

59、度極限；大齒輪選45鋼，齒面硬度55HRc圖5.28（e）接觸疲勞強度極限 ，圖5.27（d）彎曲疲勞強度極限； 2、齒數(shù)的確定 初選，大齒輪數(shù)，取86 6.2齒面接觸疲勞強度設計 (6.1) 1、根據(jù)工作條件，選取載荷系數(shù)K=1.3 2、小齒輪傳遞的轉矩 3、選取齒寬系數(shù)=1 4、標準直齒輪，，查表5.7彈性系數(shù)=189.8（鍛鋼-鍛鋼） 5、計算應力循環(huán)次數(shù) 6、由查表得， 7、計算接觸疲勞強度的許應力，取失效率為1%，安全系數(shù)S=1，得： 1===108

60、0MPa (6.2) 2===1092.5MPa 9、計算小齒輪分度圓直徑d1 6.3齒輪分度圓及厚度的計算 由于鑄型內(nèi)徑500mm，壁厚20mm，所以外徑最小為540mm，所以 ，取，， ，取 ，取 6.4校核齒輪齒根彎曲疲勞強度 1、由《機械設計基礎》表5.6得 齒形系數(shù)和應力修正系數(shù)為：，；，。 2、由應力循環(huán)次數(shù)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)， 3、計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得： ===452.57MPa (6.3) ===450.00MPa

61、 4、計算圓周力 (6.4) 5、計算齒輪齒根彎曲應力。由式（6.5）得 （6.5） 6.5將幾何尺寸匯于表 表6.1 齒輪尺寸表 序號 名稱 符號 計算公式及參數(shù)選擇 1 端面模數(shù) 7 2 分度圓直徑 280mm；600mm 3 齒頂高 7mm 4 齒根高 =（）m =（1+0.25）7 8.75mm 5 全齒高 15.75mm 6 頂隙 1.75mm 7 齒

62、頂圓直徑 294mm；614mm 8 齒根圓直徑 262.5mm；582.5mm 9 中心距 441mm 10 厚度 286mm；280mm 6.6拖輪輪的設計 1、拖輪直徑的確定 取拖輪直徑與齒輪分度圓直徑相等，=280 2、兩拖輪夾角 兩拖輪與鑄型夾角：取 3、兩拖輪中心距 縱向高度差H=441=235.3mm 4、帶輪厚度 取B=100mm 6.7 本章小結 拖輪在設計中對鑄型起到支撐的作用，而齒輪，不但對鑄型起支撐作用，還傳遞動力給鑄型，在設計中，選擇用兩個軸在兩側支撐鑄型，就是為了保重鑄型徑向的定位，再加上提

63、高齒輪精度，減小鑄型運轉時的跳動，保證了鑄造過程中的安全性。  第七章 軸的設計及軸承與鍵的選擇 7.1估算軸的基本直徑 材料40Cr調(diào)質(zhì)，估計直徑d<100mm，由《機械設計基礎》表11.1查得 ，查表11-3，C在97~112，，取C=110，由式（7.1）得 （7.1） d為最小直徑，應為裝鏈輪處的受扭轉的軸段的直徑。因該處有一鍵槽，應將直徑增大3%， 取標準直徑d=30mm 7.2軸的結構設計 表7.1 初定各軸段直徑和長度 位置 軸直徑 軸段長度 鏈輪處 30 135 油封處 40 100 軸承處 50

64、 31 軸肩處 55 20 齒輪處 60 280 軸環(huán)處 70 300 拖輪處 60 95 軸肩處 55 45 軸承處 50 31 7.3軸承的選擇 由于軸承主要承受徑向力，所以選用深溝球軸承，型號6410 7.4鍵的選擇 電機處選A型鍵 鏈輪處選A型鍵 齒輪處選A型鍵 拖輪處選A型鍵 7.5軸的受力分析 1、扭矩 2、求軸上作用力 齒輪切向力： （7.2） 齒輪徑向力： （7.3） 帶輪壓軸力： 沿嚙合面方向的壓軸力： 3

65、、確定軸的跨距 圖7.1 軸的結構簡圖 4、校核強度 (1)水平面計算： (2)垂直面計算： （3）合成彎矩 （7.4） （7.5） （4）截面C的校核 （7.6） 由《機械設計基礎》表11.4得，40Cr材料的， 所以軸的強度足夠。 4、軸受力分析圖 圖7.2 軸的受力分析圖 7.6本章小結 軸是組成機器的重要零件之一。軸的

66、主要功用是支撐機器中的旋轉零件，保證旋轉零件有確定的工作位置，并傳遞運動和動力，本章通過對軸的設計和校核，保證軸在運轉過程中平穩(wěn)，強度足夠。  總 結 近三個月的畢業(yè)設計終于結束了，通過這段日子的設計學習，使自己的專業(yè)知識和獨立思考問題的能力有了很大的提高，而且對于電腦軟件的使用更加熟練，也使我對離心鑄造有了進一步的了解。 在設計過程中在圖書館閱讀了大量的書籍，鍛煉了自己的分析問題、解決問題的能力。并受到老師的熱心講解和幫助，使自己對機械設計過程有了較全面的認識，在設計中遇到了很多問題，所幸得到金老師的悉心指導，一步一步解決困難。 畢業(yè)設計由于時間的短暫，專業(yè)知識的欠缺，以及參考資料的不足，錯誤之處在所難免，懇請各位老師批評改正。將對我走向社會從事本專業(yè)工作有著深遠的影響。  參考文獻 [1] 中國機械工程學會鑄造分會編.鑄造手冊[M] 北京：機械工業(yè)出版社 2008. [2] 張伯明.離心鑄造[M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2009 [3] 魏華勝.鑄造工程基礎[M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2009. [4] 顧崇銜.機械制造工藝學[M]