金属精密液态成形技术ppt课件-第13章离心铸造.ppt
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1、第13章,离心铸造,Centrifugal Casting,本章教学要点,第13章离心铸造,13.1 概述,13.1 概述,概念 离心铸造是将液体金属浇入旋转(通常为2501500r/min)的铸型中,使其在离心力作用下充填铸型和凝固而形成铸件的一种铸造方法。,13.1.1工艺特点,(1)铸件组织致密。金属液在离心力作用下充填和凝固,气孔、缩松、夹渣等缺陷少,其力学性能高于砂型铸件。(2)铸件具有自由表面。金属液在铸型中能形成圆柱形或圆锥形自由表面。可不用型芯形成圆筒类铸件,简化了铸造工艺。,(3)工艺出品率高。铸造中几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗,工艺出品率可达95%以上。以离心球墨铸
2、铁管为例,1t 铸铁仅消耗 1040kg 铁液,即出品率超过了 96%(包括废品的损失在内)。(4)提高了金属液充填能力。对于流动性较差的合金或薄壁铸件用离心浇注,最小壁厚可到1mm左右。,(5)便于铸造双金属铸件。可分层浇注,可铸造液-液、固-液双金属铸件(6)浇注中异相质点可移动。由于金属液中不同重度质点在离心力作用下的移动,可铸造梯度材料和复合材料。(7)加重了偏析。易产生重力偏析的合金在离心浇注中,会使偏析加重。,13.1.2离心铸造分类,立式离心铸造,(1)按铸型旋转轴位置分,卧式离心铸造,卧式离心铸造铸型绕水平轴旋转,适用于生产长度大于直径的筒、管类铸件。,卧式离心铸造机,卧式离心
3、铸造机,立式离心铸造铸型绕垂直轴旋转,适用于生产高度小于直径的圆环铸件,有时也生产异形铸件。,立式离心铸造机,(2)按离心力应用情况分,非真离心铸造,真离心铸造,半离心铸造,回转形铸件的轴线与铸型旋转轴重合,铸件内表面借离心力形成(纯粹用旋转产生的离心力使金属液紧贴型壁而形成空腔铸件的方法)。,(1)真离心铸造,真离心铸造,回转形铸件的轴线与铸型旋转轴重合,铸件各表面全由铸型壁形成。,半离心铸造,(2)半离心铸造,其铸型形状仍是轴对称的,但较上述的管子与缸套等铸件要复杂得多。中心孔可用砂芯做出。铸型旋转速度远比前者要低,离心力有助于充型与凝固,但不起成形的作用。,铸件形状不规则,成形时绕铸型轴
4、线旋转,铸件轮廓全由铸型壁形成。(零件形状可随意,仅利用离心力增加金属液凝固时的压力,铸型旋转速度也更低,铸件中心线也不和旋转轴线重合)。,非真离心铸造,(3)非真离心铸造,成形铸件采用离心铸造的目的是什么?,叠箱离心铸造磨球半真离心铸造,(4)按铸型温度分,(3)按铸型材料分,13.1.3应用,离心铸造在机械、冶金、石化、交通及城建等行业均有应用。从铸件种类看可归类如下。1、铜套类 如各种轴瓦、轴套、滚筒、轮缘及口环等。2、铸铁管、筒类 如输水管、排水管、井壁管、煤气罐、化工用管、各种缸套等 3、钢管类 如辐射管、炉底辊、滚道辊、炼镁罐及化工用管等。,4、双金属类 如钢背铜合金轴瓦、钢背锡合
5、金轴瓦、铸铁复合辊套、冶金实心复合轧辊及铁-钢复合缸套等。5、成形件类 如铜合金叶轮、涡轮、螺旋桨、钛合金叶轮及其他钛合金件等。,双金属机筒以普通中碳钢或中碳合金钢作为母材,内孔离心铸造一层厚度 2.0 mm 以上的硬度均匀的耐磨或耐腐蚀特殊金属。,离心铸造双金属管,离心铸造轧辊,离心铸造球墨铸铁管,铝青铜离心铸件,铜套,大型汽缸套离心铸造,13.2 离心铸造原理,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:,13.2.1 离心力场,如旋转速度以r/min为单位,则,式中,n-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(cm/s2
6、);m-金属液质点的质量(kg)。,(1)离心力,离心铸造时,金属液随着铸型作绕中心O的圆周运动,如果把旋转的金属液所占的体积视为一个空间,其每一质点都产生如 那样的离心力,该空间就称为离心力场。,离心力场示意图,单位体积金属质点所受离心力为:,(2)离心力场,式中,-金属的重度(单位体积金属所受的重力,单位:N/m2)该式表明旋转金属液的有效重度比在重力场中的重度大 倍。,(3)有效重度,离心力场中单位体积液体金属所产生的离心力称为有效重度:,(4)重力倍数(有效重度大于一般重度的倍数G),通常G为几十到一百多。对某铸件来说,n值越高G越大。对不同密度的合金来说,f相同时,其密度越小G越大。
7、,离心力场中单位体积金属所受的离心力f与重力之比称为重力倍数G或重力系数。,(自由表面:与大气接触的等压面),13.2.2 离心力场中液体金属自由表面的形状,1、立式离心铸造时液体金属自由表面的形状,设液体金属绕垂直轴Y-Y旋转,其角速度为,截取其轴向截面,如图所示。在自由表面取一质点M(x,y),其质量为m。在离心力的作用下,此质点x,y,z轴方向的质量力为:,(1)立式离心铸造时金属液自由表面在径向断面上的曲线方程,立式离心铸造自由表面形状1-旋转轴;2-铸型;3-金属液;4-自由表面,因自由表面上无压力差(为等压面),由水力学中的欧拉公式知,将式(1)、(2)、(3)代入式(4),得:,
8、(4),此方程为抛物线方程,顶点为坐标原点。据此可推断立式离心铸造时,金属液自由面为一绕垂直旋转轴y-y的回转抛物面。在铸件顶部x1处的液体金属层的厚度较薄,而在铸件底部x2处厚度层较大。,(5),积分后,得如下方程式:,壁厚差(自由表面上的两点(x1,y1),(x2,y2),又,(铸件高度),由g=9.81m/s2,=n/30,代入式(6),(6),(2)立式离心铸造时铸件上下端面的壁厚差及及所需铸型转速,x1最大值由铸型结构和浇注的金属液的量决定。则,可提高转速n,减小壁厚差;铸件越高,壁厚越差也越大。,生产中要控制壁厚差,则要控制铸型转速。,由式,及,转速,即可根据允许的铸件壁厚差及铸件
9、的高度h及x1来估算所需铸型的转速n。,(1)金属液在垂直于轴线的横断面上的曲线方程,2、卧式离心铸造时金属液自由表面的形状,垂直于旋转轴截取金属液横截面,如图。在旋转角速度为的金属液表面上,任取一质点M(x,y),不考虑重力场的作用。,卧式离心铸造自由表面形状 1-铸型内表面;2-金属液;p-重力,则由欧拉方程:,在自由表面上为等压面,即,得:,则,移项后,积分得,此圆方程即为自由表面在横断面上的曲线方程。,据此可推断,卧式离心铸造时,若不考虑重力场影响,金属液自由表面是以旋转轴为轴线的圆柱面。若考虑重力场,卧式离心铸造时金属液自由表面应为近圆柱形表面,会引起偏心。,(2)重力对自由表面的影
10、响,结果:仅考虑重力场的影响,自由表面的轴线将向下移动e的距离。原因分析:a.最高点A处金属液,向最低点B处移动,在重力场作用下,速度增加,即VAVB;b.另,由等流量连续流动方程(将金属液的运动空间视为自由表面和铸型壁所组成的封闭环)。,由,得,断面金属液流动的有效面积,即自由表面将向下移动。,(3)金属凝固和黏性阻力对自由表面的影响,结果:在凝固后的铸件上不会出现内表面的偏心原因分析:a.金属液由外壁向内表面等速凝固,则靠近内表面处的液体金属厚度减薄,(即FA接近FB),使e减小。b.凝固时,温度下降导致黏度增大,从而使VA与VB差别减小,也即FA与FB差别减小,使e减小。,13.2.3
11、离心压力,(1)概念(在重力场中,由于液体重力的作用,在静止液体的不同高度上,液体质点便会经受(或表现出)一定的压力)。离心铸造时,旋转的液体在离心力的作用下,在其内部各点上也会产生压力,此种压力称为离心压力。(类似于重力场中,液体质点经受的压力),(2)离心压力表达式,结果:推导:截取卧式离心铸造时金属液的横断面,如图所示(取r处质点M),欧拉方程式:,卧式离心铸造时旋转液体中的单位离心质量力,对r处质点M(x,y),则取r=r0至r处的定积分。,自由表面离心压力,则,此即为旋转金属液中旋转半径为r处的金属液中的离心压力计算公式。,(7),在r=R处(铸件外表面),,(3)立式离心铸造时,离
12、心压力计算式与上式相同。,(8),在立式离心铸造时,r0并非定值,而随铸件高度变化而变化,在同一回转面上部,金属液离心压力较小(因r0值较大),在下部,离心压力较大。上、下两点离心压力差为(即重力场引起的压力差,如图所示):,式中,P上同一回转面上上部某点处的离心压力 P下同一回转面上上部某点处的离心压力 h上、下两点的高度差,(9),立式离心铸造,同一回转面,上、下两点离心压力差,式(9)可由:推导,(10),又,(同一回转面),将式(10)代入式(11),得,(11),与金属液主体不能溶合的另一种组成的金属液滴,包括气泡、夹杂物,不能互溶的合金组元,凝固析出的晶粒等,称为异相质点。异相质点
13、被金属液主体所包围。,13.2.4 液体金属中异相质点的径向运动,(1)异相质点的概念,异相质点与金属液密度不同,它们会像在重力场中一样,出现沉、浮现象。,(2)异相质点径向运动,由重力场中,异相质点上浮、下沉速度V重可由斯托克斯公式表示:,式中,d异相质点直径;1,2异相质点与金属液主体的密度;金属液动力黏度系数。,上浮,下沉,(12),离心力场中,旋转液体金属中异相质点沿径向自由表面内浮或向型壁处外沉速度V离的斯托克斯公式(将离心加速度代替重力加速度):,(13),从式(14)可知,离心铸造时金属液中异相质点的沉浮速度比重力铸造时快G倍。另一方面,由于离心力的作用,合金的成分偏析也会加剧。
14、,(14),由式(12)、(13),得:,有利于夹杂、渣滴和气孔逸出补缩容易,有效重度大,不易形成缩孔、缩松 缺陷,组织致密度大易出现偏析和双向凝固现象,(3)由异相质点径向运动引起的铸件成形特点,径向移动将使:,13.3.1 铸件凝固特点,在大多数情况下,凝固时析出的晶粒重度比液体金属大。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。,13.3 离心力场中铸件凝固特点,(1)加强顺序凝固,离心铸造时液体金属质点是
15、按重力系数的倍数加重的,其运动方向又指向凝固层,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,对凝固时在枝晶间形成的空穴进行补缩。同时,液体金属在细小缝隙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,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的流动补缩条件,故离心铸造的组织较为致密。,(2)加强补缩,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(倾斜方向与铸件成形时的旋转方向一致)和层状偏析(按同心圆的形式分层分布)。这两种现象都与离心铸造时液体金属相对运动有关。由于铸型转速太低引起的相对运动由于重力场引起的液体金属脉动现
16、象由于惯性作用引起的相对运动,(3)结晶形态,13.4 离心铸造机,13.4.1立式离心铸造机,一般立式离心铸造机主要用于生产直径大于高度的铸件,如轮缘、口环、叶轮和成形件等。,中型立式离心铸造机1-铸型套;2-轴承;3-主轴;4-带轮;5-机座;6、7-轴承;8-电动机,13.4.2 卧式离心铸造机,(1)卧式悬臂离心铸造机,半自动卧式悬臂离心铸造机1-限位开关;2-顶杆;3-机座;4-齿条;5-变速箱;6-顶杆制动器;7-电器箱;8-后轴承架;9-电动机;10-主轴制动器;11-主轴;12-前轴承架;13-喷水管;14-防护罩;15-铸型;16-浇注流槽;17-定容浇包;18-浇注车,以中
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