滚轮式离心铸造机设计

云南机电职业技术牛业设计（论丈丿任务书云南机电职业技术 学院 材料成型与控制技术 专业 09171 班 学生：张宇毕业设计（论文）题目：滚轮式离心铸造机设计课题的意义及培养目标：离心铸造机属特种铸造的金属成型的方法之一。 它的原理是金属液体在离心离的作用下，不用型芯即可浇铸空新件，省去浇注系统和冒口;令铁，节约了大量的金属，省去造型的工时。这样就降 低工件成本，并可制造双金属件，质量可靠。采用这种方法生产的铜套和铁 套，工艺简便，生产效率高，是机械成型先进的工艺。学生通过此项设计， 加深对工装设备设计过程的了解。是他们的综合能力的培养得以提高，为今 后的工作做好充分的准备。设计（论文）所需收集的原始数据与资料：离心铸造手册铸型转速：500800i7min铸件最大尺寸：500X2000课题的主要任务（须附有技术指标要求）：1铸型设计2传动系统设计 3控制系统 4浇注系统设计 5毕业论文说明书1份设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）:周次设计（论文）任务及要求17在外地逬行毕业实习8 10收集相关资料1112讨论并确定相应方案1317整体设计，绘制图纸18 20写岀毕业论文说明书学 生：张宇指导老师：蔡云秀铸造是一种液态金属成型的方法。铸件已广泛应用于各工业部门和日常生活中， 其中通过离心铸造而成的铸件占相当大的比重，离心铸造是将金属液浇入旋转的铸 型中，在离心力作用下填充铸型而凝固成形的一种铸造方法，离心铸造是在离心机 上进行的。离心铸造分为立式和卧式两种，卧式滚轮式离心铸造机包括：铸型，浇 注系统，传动系统，以及电器控制系统儿个部分。其工作过程包括：涂料，浇注， 冷却，拔模，本设计利用现有的一些新元件对铸造机进行优化设计，并采用PLC进 行控制，使之操作方便，结构简化，性能提升。关键词：铸造；浇注系统；离心铸造机；电器控制系统目录第一章绪论11. 1概述11.2离心铸造机的发展过程11.3离心铸造机的分类及应用21.4离心铸造的特点31.5离心铸造基本原理31.6离心铸造发展前景4第二章滚轮式离心铸造机的原理分析52. 1离心力52. 2离心力场52. 3有效重度52.4自由表面52. 5离心压力72. 6液体金属中异相质点的径向运动92. 7离心铸造的缩补102. 8离心铸件的凝固特点10第三章离心铸造工艺143.1离心铸型转速选择143.2离心铸造用铸型143. 3涂料153.4浇注153. 5拔管153.6清理与准备15第四章离心铸管常见缺陷分析164. 1横向壁厚不均164.2纵向壁厚不均164. 3气孔与针孔164.4裂纹断裂174. 5龟纹174.6凹陷184.7渗漏18第五章金属铸型设计205. 1卧式滚筒离心机的特点205. 2铸型类型选择205. 3铸型各组成部分结构设计205. 4铸型型体设计215. 5铸型段盖和端盖紧固装置设计215. 6铸型滚道设计和定位225. 7浇注系统设计23第六章铸造机的参数与计算246. 1铸型转速的选择246. 2铸型壁厚246. 3离心压力256.4电机功率选择256. 5带传动的设计与计算26第七章控制系统的编程控制307. 1梯形图30第八章操作安全注意事项31结束语32致谢32参考文献第一章绪论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， 重量及合金种类儿乎都不受限制。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，近儿十年来，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。最常见的有如下儿种：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一一离心铸 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儿十年的历史，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。对于像双金属轧铠，加热炉滚道，造纸及干燥滚筒及异型铸件（如 叶轮）等，釆用离心铸造也十分有效。H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，铸造合金的种类儿乎不受限制。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,重量最小为儿克（金属牙），最大可 达儿十吨。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：（一）立式离心铸造机（二）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。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1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，卧式离心铸造乂可以分为：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儿公斤至十多吨，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，离心铸造儿乎是最主要的方法。 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。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：厂2、F = mco r(2-1)如旋转速度以r/min为单位，则勿/30(2-2)2F =O.Olmrn(2-3)n一为金属液质点的旋转速度(r/min)r一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。伙g/J),这部分液体金属产生的离心力成为有效重度/=pafr = yaf/S (N/m。式中：了一金属的重度(N/n?)该式表明旋转金属液的有效重度比在重力场中的重度大"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：o2、X = m(Dcosa = mco x (2一4)在Y轴方向上的分力为：2 2Y = mcosum = mco y(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(+Yd、+Zd： =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，£，厶，心分别为质点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：mco1 xd v + mco1 yd、= 0(2-8)将式(2-8)移项积分后，得如下方程式：(2-9)2 2 2% +y =)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。图2-1为卧式离心铸造时，液体金属自由表面的形状实际上山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匕最小，而在B段面上，圆周线速度最大，即匕 岭。 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山表面和铸型 所组成的封闭圆环内的运动。所以应得：吒=弟(2-10)式中你、几为A、B两断面的面积。有前可知V <V,所以Fa>Fl>o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：h=VaVh<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中的匕/%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你、仇就相应的相互接近，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 属液体曲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，就使匕与的差值不 断减小。因此在卧式离心铸造时，液体金属自山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,内径为心，旋转 速度为0,现在旋转的液体金属中取一微小单元，其旋转半径为厂，厚度为力，外边 边长为内边边长为r-r/r/2,故微小单元的平均宽度为(r-dr/2)da ,如该单元 在轴向上的长度为边，则该单元的质量m = p(r-dr/2)dadrdz ,质量中心处于旋转半 径为(r-Jr/2)的圆弧上，因此，这一微小单元所受的离心力为(r-dr/2ydadrdz.,这一离心力作用在为小单元旋转半径广处的液体金属面处，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：dp =rdadz.dr(2-12)式2-12中故可把d/2忽略不计,则式2-12变为:(2-13)dp = pctf rdr对于2-13中，取心至r处的定积分，得:dp = pco2rdr(2-14)对式2-14中、必各为自由表面和t处的离心压力。所以,甘萼宀宀冬（F）（2-15）22g式中 厂一液体金属的重度g重力加速度山式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，从自曲表面心处起至外径厂处，压力变化成抛物线规律分布，在R处为最大，即:(2-16)几一就是旋转中液体金属对旋转型壁作用的离心力2. 6 M攵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：V = (2-17)1877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；p2异相质点颗粒的密度；“金属液的动力粘度。若p>p2, v值为正，为异相质点的下沉速度；如PS，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 = J2(p1 -/92>2/-/18?7(2-18)将式 2T8 代入 2-17 得：= co 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朵物就较容易浮至自山表面。这就 是离心铸造中气孔，夹朵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乂是通过铸型型壁进行 的。所有这些都为离心铸件山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，最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 道乂窄乂曲折。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，其运动方向乂指向山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，即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 面上的柱状晶应在径向上山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，最后是径向柱状晶。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，在铸型断面上可能岀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，曲型壁流下来，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，液体金属不断卷起乂散落下 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，因此，这种脉动现象对铸 件结晶的过程的影响不显著。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，最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，但山于惯性作用，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，而靠近自山表面处相对 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，靠近型壁的层流层增用，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，最后液体金属与金属铸型处于相对静止状态在不同的时刻，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。当结晶前沿时在紊流的液体金属层是。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，因此, 紊流促使铸件断面上出现细小的等轴组织。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，即晶体生长是迎合着液流方向进行的。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，为了降低系统的自山能，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。山于上述原因，最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，当第一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，山于铸型的冷却作用，液体金属的粘度增大，流动 速度逐渐降低。如图2-4所示，当第一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。山于内表面温度较高，所以第二股液流 温度降低较慢，能保持较高的流动速度，最后超越笫一股金属流的前端，继续向询 流动一段距离，笫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。必须指出，液体金属在作轴向流动的同时，山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。最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。第三章离心铸造工艺3. 1离心铸型转速的选择选择离心铸型的转速时，主要应考虑两个问题：（1）离心铸型的转速起码 应保证液体金属在进入铸型后立刻能形成圆筒彩，绕轴线旋转；（2）充分利用离心 力的作用，保证得到良好的铸件内部质量，避免铸件内产生缩孔、缩松、夹杂和气 孔。釆用砂型离心铸造时，也要注意忽使液体金属对型壁具有太大的离心压力而 引起铸件粘砂胀砂等的缺陷。3. 2离心铸造用铸型离心铸造时使用的铸型有两大类，即金属型和非金属型。非金属型可为砂型、 壳型、熔模壳型等。由于金属型在大量生产、成批生产时具有一系列的优点，所以 在离心铸造时广泛地采用金属型。卧式悬臂离心铸造机上的金属型按其主体的结构特点可分为单层金属型和 双层金属型两种。图3-1和3-2所示为这两种铸型的结构特点。在单层金属型中，型壁由一层组成，单层金属型结构简单，操作方便，但它 损坏后需要制作新的铸型才能开始生产，在此铸型中只能浇注单一外径尺寸的铸件。 而在双层金属型中，型壁山两层组成，铸件在内型表面成形。双层金属型结构虽复 杂性，但只要改变内型的工作表面尺寸就可浇注多种外径尺寸的离心铸件。长期工 作后，只需更换结构较简单的内型就可把旧铸型当作新的铸型使用。图3-1单金属离心铸型 图3-2图双层金属离心铸型1-端盖2-铸型本体3-端盖夹紧装置1-外型2-内型3-端盖4-销子3. 3涂料金属型离，常需在金属型的工作表面喷刷涂料。对离心铸造金属型用涂料的 要求与一般金属型铸造时相同。为防止铸件与金属型粘合和铸铁件产生白口，在离 心金属型上的涂料层有时较厚。离心铸造用涂料大多用水作载体。有时也用于态涂 料，如石墨粉，以使铸件能较易地自型中取出。喷刷涂料时应注意控制金属型的温度。在生产大型铸件时，如果铸型本身的 热量不足以把涂料洪干，可以把铸型放在加热炉中加热，并保持铸型的工作温度， 等待浇注。生产小型铸件时，尤其是采用悬臂离心铸造机生产时，希望尽可能利用 铸型本身的热量洪干涂料，等待浇注。3. 4浇注离心铸造时，浇注工艺有其本身的特点，首先由于铸件的内表面是自由表面, 而铸件厚度的控制全山所浇注液体金属的数量决定，故离心铸造浇注时，对所浇注 金属的定量要求较高。此外山于浇注是在铸型旋转情况下进行的为了尽可能地消除 金属飞溅的现象，要很好控制金属进入铸型时的方向。液体金属的定量有重量法、容积法和定自由表面高度（液体金属厚度）法等。 容积法用一定体积的浇包控制所浇注液体金属的数量，此法较简便，但受金属的温 度，熔渣等影响，定量不太准确，在生产中用的较多。为尽可能地消除浇注时金属的飞溅现象，要控制好液体金属进入铸型时的流 动方向3. 5拔管金属液体凝固后，金属型停止旋转，拔管机进行拔管。6清理与准备第四章 离心铸管常见缺陷分析离心铸管常见缺陷是壁厚不均匀，气孔和针孔，裂纹或断裂，龟纹，凹陷及渗 漏，一旦出现这类情况，重则报废轻则成为次品。为了保证稳定生产必须认真预防。4.1横向壁厚不均匀旋转轴与铸型本身轴线不重合或铸型弯曲时，都会造成铸管横向壁厚不均匀现 象。防止出现这种缺陷的主要措施是：在离心生产过程中，注意控制铁液的浇注温 度，浇注速度和铸型冷却条件，尽量减少金属型的弯曲扰变。3. 2纵向壁厚不均匀纵向壁厚不均匀现象多出现在水冷金属型离心铸管中。只要扇形包向浇注槽浇注 的速度不均匀时，就会出现纵向壁厚不均匀现象.扇形包的铁液对浇注槽的浇注速度和扇形包内衬的儿何形状有关。扇形包的偏转 角度一般是均匀的，但当浇注包的内衬修理尺寸不规矩或内衬被侵蚀以及包内结渣 严重时，浇包内衬的半径发生变化，单位时间内浇包向浇注槽提供的铁液数量必然 随之改变，例如：浇包底部内衬被侵蚀后，就会在底部积聚液体金属，以致在浇注 最，浇注速度增加，其结果是铸管最后一段（插口端）增卑，反之则最后一段将会 减薄。纵向壁厚不均匀还和浇注槽的状况有关。当浇注槽高低不平或不光滑时，金属液 的流动受阻，使金属液在流槽中积聚，进入铸型的金属液会瞬时减少，随之出现局 部壁厚现象。金属聚集到一定程度后，金属液可能突然冲入铸型，瞬时增大浇注速 度，使铸管局部增厚。纵向壁卑不均匀与铁液的浇注温度也有一定关系，浇注温度偏高时，靠近承口端 容易出现增厚现象，（离心机安装时有一个斜度），浇注温度偏低时，插口端容易 出现增厚。铸型和机器壳体的振动也会影响铁管的壁厚均匀程度，振动越剧烈，壁厚不均匀 性越显著。4. 3气孔和针孔气孔的特征是在铁管外表面或表皮下一定深度内出现近似球形的孔洞，针孔的 特征是洞细而长，严重时会使铸管发生渗漏，产生气孔和针孔的主要原因如下：（1）液体金属中会有大量气体，铸型温度和浇注温度较低时，析出的气体来不及上 浮逸出。（2）由于金属炉料潮湿，锈蚀，油污或出铁槽不干，风量不当造成氧化，或金属内 表面潮湿锈蚀，浇入金属后产生气体。（3）涂料金属型离心铸管中，所以涂料中还有过多的发气材料。预防气孔和针孔的主要措施如下：（1）严格保证铁液质量，原铁液成分中硫含量尽量降低，球化处理过程中，在保证 球化的前提下尽量减少残留镁量，要保证足够的浇注温度，铁液要严格挡渣。（2）涂料金属型离心铸造中所用涂料的烧碱值要尽量设法降低，对于硅藻土涂料， 硅藻土必须经过高温焙烧后才可以使用。膨润土中含有结晶水，结晶水在高温下分 解是产主针孔的主要原因之一，为此应选用优质的膨润土，而且在保证粘结性和悬 浮性的前提下尽量减少膨润土的加入量。（3）金属炉料应当干燥无锈蚀，球化剂和孕育剂应预热除潮，铁液包和浇注包应充 分预热，金属型及涂料必须经过预热和保持干燥，注意防止混入自然水分和气化物。4. 4裂纹或断裂离心铸管本身长度较长，一般铁液凝固后温度仍旧很高，此时铸铁本身的强度 和塑性都很低，特别是当铁液成分不合格时，其强度和塑性更低。同时，在离心力 作用下，铸管本身各部分壁厚可能不够均匀，各部分冷却条件也不完全相同，温度 差产生的应力及离心力的总和超过铁质的强度时，就会出现裂纹和断裂，拔管过早 时。拔脱阻力也可能超过铁管的高温强度而造成拉断裂。为了预防产生裂纹和开裂，首先要认真优选铁液的化学成分，提高熔炼质量。其 次应注意正确执行浇注工艺（铸型转速，浇注速度，冷却条件，铸型和涂料等）。 拔管时间也必须适当。4. 5龟纹龟纹是热摸法离心浇注球铁管内表面经常出现的缺陷。山于热摸法；离心铸管的铸型内壁有一层隔热性能良好的涂料，球墨铸铁铁液浇 入铸型后，冷却凝固速度较慢，在凝固的初期，一般是按稳定性结晶，即析出球状 石墨盒奥氏体，在此期间球铁管的凝固有两个特点：一是管壁中心糊状凝固，长时 间内仍保持液固混合状态，铸管的内壁自由表面再旋转中与大气接触，温度高，散 热条件差，微热的薄壳形成缓慢。巧一特点是球铁液凝固前期体积膨胀较大，此时 产生的膨胀压力足以冲破微弱的薄壳，使球铁管的内表面呈现出网状龟纹。当离心 压力足够大时，龟纹只会增大铸管内表面的粗糙度，对力学性能影响不大。防止龟裂的方法是控制铁液成分，增大铸型冷却速度，改变结晶状态。例如：水 冷金属型离心铸管，山于铸型外面用水冷却，促使铁液凝固速度加快，形成介稳系 结晶，高温下析出渗碳体和奥氏体，凝固前期体积膨胀很小。另一方面铸铁管凝固， 是从外壁向内定向凝固，内表面的铁液可以补充先凝固的收缩，最后形成平滑的铸 管内表面。4. 6凹陷凹陷也是热模法离心铸造球铁管常见的缺陷。其特征是：铸成的薄壁球铁管拔出 铸型时，在管壁上可见到若干局部区域向内凹陷，凹坑呈圆状或椭圆状，直径为520 厘米，严重时凹坑底部出现裂纹，成为易渗漏区。凹陷的形成可用气膜理论解释。生产工艺控制不当，例如涂料选配不当，发气量 过大，浇注温度或铸型温度偏低，造成管壁局部区域结壳超前，在这种提前结壳并 封闭气体通道的部位，涂料参因持续受热而产生的气体将因铸壳的阻碍而无法逸出， 并不断积累增多，这些气体在高温下膨胀，导致局部压力剧增。一旦压强超过金属 此时离心重力吉管壁少量塑性形变所需的应力之和时，则发气压力就可能使处于塑 性状态下的局部管壁壳皮被圧离管模向内推移2-3毫米，使局部管壁连同其外侧已 烧结的涂层一同过早的脱离金属型。从而形成一个气膜隔离区，它改变了这部分管 壁的正常冷却行为，不能再透过涂层将热量传导给金属型。使这里的冷却速度减慢， 从而造成了铸管宏观上的冷却不均匀，管子拔出后会发现管体上一片亮一片暗的特 异现象，光亮的缓冷区便是后期的出现凹陷的地带。防止凹陷的主要措施是选用优良的涂料材料和正确配比，降低涂料的高温发气量。 适当提高浇注温度和铸型温度。4. 7渗漏渗漏是铁管最常见的综合缺陷。也是铸铁管废品中最为多见的缺陷。产生渗漏 的原因很多，应根据具体情况进行分析。(1) 针孔引起的渗漏，在涂料金属型中，当涂料发气量大，浇注温度低时，会使铸 管产生针孔，在水冷金属型离心铸管生产中，浇槽不干货金属型锈蚀，也会导致铸 铁管产生针孔。较深的针孔可能成为渗漏点。(2) 扎孔引起的渗漏，当铁液中有害元素及氧化物较多，或浇注孕育过程中带入较 多夹杂物时，都会使铸铁管产生渣孔。渣孔也会导致渗漏。浇注工艺不当引起的渗漏，水冷金属型离心铸铁管最常出现渗漏的部位在承口 端附近的直段部位，这个部位是浇槽浇注铁液的地方，铁液首先从这里流向承口端， 随后浇槽逐步向插口端延伸，使铁液以螺旋焊管的方式凝固，与承口端相比，这里 凝固较晚，与其他部位相比，则应属最先凝固的部位，如果浇槽伸入铸型的长度， 铁液山浇槽浇入的方向，浇注速度与浇槽移动速度配合恰当，完全可以保证铸铁管 在凝固过程中，按照螺旋焊管的规律自承口端向插口端定向凝固。在这种情况下铸 铁管不会产生重皮，冷隔等缺陷，铸铁管也不会产生渗漏，但一旦这些因素控制不 当，在流槽开始浇注铁液的部位，很难保持与承口端及插口端定向凝固的规律，很 容易使该部位出现冷隔，重皮，夹渣等缺陷，所以这个部位最容易出现渗漏。 出现渗漏的铸铁管，大部分可以通过修补并经过严格的试压检查，成为合格的产 品。第五章 金属铸型设计5. 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的夹角为 90到120度。铸件最大直径（mm）铸件最大长度（mm）50020005. 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：5. 3铸型各组成部分结构设计（1）铸型固定形式按铸型固定在离心铸造机的主轴或工作台上的形式有中心固定式和周边固定式 两类，根据使用情况选择结构形式。采用周边固定形式。结构特点：1）结构简单，制造较易。2）应用广泛优缺点：1）铸型底部与型体分开，热应力小。2）安装拆卸麻烦，3）釆用单位铸型时加工麻烦。4）可装铸件顶出机构5. 4铸型型体设计金属型型体的失效主要山热应力和热应力疲劳所引起，故决定型体壁用时应在 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，单层金属型的壁卑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，最小壁 厚不能小于15MM,铸件长时，行笔应较厚。5. 5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5-2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：端盖的内孔最好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：（2）铸型端盖的固定：离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。端盖的固定装置结构如下：图5-4说明：紧固工具用销子，（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，（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，使端 盖销子不易取下。销孔的技术数据：表5-1铸型内径（mm）<=200201400401600601 1000销孔直径（mm）15202025253030孔数（个）33446注意：为防止浇注时从端盖溢岀的金属液粘住固定元件，可在端盖上做一挡圈。5.6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，防止在转动时岀现大的震动，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5-5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。4. 7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，或釆用离心砂型时，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。以上浇注系统的设讣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：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。第六章铸造机的参数与计算滚轮式离心铸造机的设计任务书：要求：铸件为铜合金，密度：8.2g/cm3最大尺寸:500*2000铸件厚度：20mm计算重度为：/=pg=8. 2*1000*9. 8=80360 (N/n3)5. 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，过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询提下，选取最小的数 值。利用经验公式计算铸型得转速，利用特种铸造手册682页的康斯坦丁诺夫公式: (6_1)其中：铸型转速(r/min) 2铸件内半径(m)P修正系数 /一一铸件合金重度(N/F)康斯坦丁诺夫公式修正系数如下：表6-1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P1.21.41.01.51.21.51.01.30. 91. 155200 /沪巧為五27. 8r/min,实际转速要大于计算转速，所以取530r/min.6. 2离心铸型壁厚此离心铸造机的铸件最大外径为500毫米，长度为2000毫米，查表(7-10), 离心铸造手册。壁厚选为20毫米。6. 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如下:（6-2）7TKW2式中：P-金属液推开端盖的压力。-金属液的重度（)W -一铸型旋转角速度（wd/s ） n 铸型旋转速度（r/min ） g -重力加速度g二9. 8m/“R -一铸型内半径 心一铸件内半径所以：6. 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 为最大，所以离心铸造机上电动机应按启动时所需功率进行选择：N 二式中：工（寒'）一一机器上各传动件启动时所需功率总和， 366000/Gt某一传动件质量（kg）D,某一转动件的最大旋转直径。（m）n某一转动件在启动后的最大转速k安全系数。1. 11.3“传动效率安全系数，一般取0. 7-0. 8t启动时间.秒，一般取4一8秒.计算如下:G 铸型=QU =7.2*1000*(0.2782 - 0.25 82)*2.21 =535.65356*05562*52782366000*8选择电动机为180M, 3000r/min,功率为22kw.不考虑打滑的情况下：拖轮半径为134mm。两滚轮与铸型的夹角：取为8 = 115度两拖轮中心距离：L = 2*(/? + r)*sin - = 2*(134 + 288)*sin =712mm 2 2示意图如下所示：图6-16. 5带传动的设计与计算：已知电动机型号为:Y180M4,额定功率为p二22kw.转速=3000r/min , 1=2.(1) 确定计算功率Pca由表8-6查得，工作情况系数 忍=1.2 所以：p(a = kA */; = 1.2*22 = 26.4曲(2) 选择窄v带带型：根据Pm ,"由图8-9确定选用spA性.(3) 确定带轮基准直径：由表8-3和8-7取主动轮基准直径£产100mm.根据式8-15,从动轮基准直径2 = *= 2* 100 = 200mm,根据表 8-7,取dd2= 200mm. 按8-13验算带的速度：60*1000*100*300060*1000m/s = 15.7/rz/5 <35m/s.带的速度合适.(4) 确定窄v带的基准长度和传动中心距：根据0.7*(ddx +為)v兔v 2*(為+厶)初步确定中心距«o=4OOmm.根据式8-20计算带所需的基准长度：L. =2绻+兰 *(/右+4 J +血二 二 2*400 + *(100 + 200) +凹巳巴匚= 1277.25 mm '°2 rf, rf2 4勺24*400由表8-2选带的基准长度Ld=250mm.按式8-21计算实际中心距a,L.-Zi1250-12力.25“ca =(10 + = (400 d)mm = 373mm2 2(5) 验算主动轮上上的包角g，由式8-6得：8 =18° 一咛5 =，8° 一黔恥=164.6。 120。,主动轮上的包角合适.(6) 计算窄v带的根数z,由式8-22知,z =厶 ，由 =3000,-/min , 尙二 100mm i=2,查表 8-5c 和 8-5d 得:(心+ 3。冷匕()二4. 2kw, Ap0=l. 2kw,查表88得:ka 0. 96,查表82得kt =0. 89 ，所以:z =皿=二4 根(Po + 3o 帰(4.2 +1.2) * 0.96 * 0.89(7) 计算预紧力Fn由式 8-23 知:F =500*. = (-1) + V2”z Ka查表 8-4 得:q=0. 12kg/m,所以，/r =500*- = (-1) + O.I2*15.72=366. 8N015.7*40.96(8) 计算作用在轴上的压轴力尸卩，由式8-24得：F =2*z*/*sin 鱼= 2*4*366.8*sin 上竺二2908. 6N(9) 带轮结构设计：主动轮：基准直径心产100mm2. 5d二120mm,所以采用实心式.从动轮：基准直径dJ2 = 200”和<300mm.可采用腹板式.主动轮设计如下：图6-2从动轮设计如下:图63(10) 轴承的选择：山于轴承承受很大的径向载荷，在工作过程中，轴向载荷儿乎为零.故选用圆锥滚子 轴承.轴承型号为30215.第七章控制系统的编程控制控制系统的程序控制梯形图如下:启动电机.铸型开始转动定时8杪定时5分钟小车开始移动定时5抄小车到位停止移动浇包开始浇注定时15抄小车返回第八章使用离心铸造机的注意事项8.1操作安全注意事项离心铸造生产中，必须注意操作安全以避免机器设备或人身事故，离心 铸造机操作安全注意事项如下：1. 经常检查铸型有无裂缝、变形或损伤；2. 每班开始工作前先要检查机器各部分是否处于正常状态，然后启动机 器，观察机器运转是否正常；3. 离心铸造机周围工作地面必须清理干净；4. 浇注前，金属型内部一定要干燥，铸型端盖一定要牢固，放好安全罩。5. 只有在铸型完全停止转动后，才能用手或工具触摸铸型；离心铸造工作地只能采用阳光或白炽灯泡照明。结束语:通过一学期的毕业设计，使我对离心铸造有了进一步的了解，在设计过程中阅 读了大量的书籍，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，为今后的工作打下了基础。随着现代科技的发展和进步，铸造工业取得了长足的进步，铸造机器日益向快 速，自动，精确的方向发展，离心铸造机作为特种铸造的主要机种之一，有着光明 的前景。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，恳请各位老师和同学批评改正。在本次设计的过程中，我得到了蔡云秀老师的细心指导和大力帮助，同时郑华 同学、闻富同学、孟其超同学、黃全荣同学也给予我很大的帮助，在此一并表示衷 心的感谢。参考文献1, 中国机械工程学会铸造专