【導讀】獨立完成的，學位論文的知識產(chǎn)權(quán)屬于太原科技大學。容，將承擔法律責任。除文中已經(jīng)注明引用的文獻資料外，純液體摩擦的滑動軸承。根據(jù)不同的應用領域、潤滑方式、工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等，油。膜軸承可分為很多種類。其中，廣泛應用于各類軋機上的油膜軸承，稱之為軋機油膜軸。由于油膜軸承與滾動軸承相比，有其獨特的優(yōu)點。巴氏合金主要由具有減摩特性的錫基和鉛基軸承合金兩種類型。既傳統(tǒng)、又現(xiàn)代的鑄造方法，是廣為采用的特種鑄造工藝。它是將液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)的。鑄型中，使之在離心力的作用下，完成充填和凝固成形的一種鑄造方法。部組織非常致密均勻，所選擇的合金材料具有非常好的柔韌性和耐磨特性。遞給ProCAST進行體網(wǎng)格劃分和分析計算。本文對Pro/E—ProCAST系統(tǒng)工作方式，采。足等缺陷進行預測，為工藝優(yōu)化提供參考。

　　

【正文】 J. L. Yen 在流場計算中引入了不規(guī)則網(wǎng)格，結(jié)果使計算速度、計算精度得到明顯的提高。此外，對鑄件充型過程的數(shù)值模擬還考慮了內(nèi)澆道入流速度、型腔內(nèi)氣體的反壓力、型壁狀況、表面張力、界面熱阻等對充型過程速度分布和溫度分布的影響。所有這些都標志著充型過程計算機模擬技術日趨成熟，為其在生產(chǎn)中的廣泛應用奠定了基礎。 相對于國外，我國在該領域的研究起步較晚，但發(fā)展很快。 1987 年沈陽鑄造研究所的王君卿，在丹麥大學讀博士學位期間，從事了充型過程數(shù)值 模擬的研究，并用上述三種方法進行計算，進行了 I 型三通管、灰鑄鐵件充型過程的數(shù)值模擬，并對幾種求解帶自由表面數(shù)值計算方法進行了比較。 清華大學的裴清祥、柳百成采用 SOLAVOF 法實現(xiàn)了三維充型流動的計算機模擬，與實驗結(jié)果吻合較好。 1995 年，東南大學的泰永健利用 SIMPLE 算法對雙輥薄帶連續(xù)鑄造的流動和傳熱進行了分析計算，取得了較好的成果。隨著計算機技術的發(fā)展，鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬受到了國內(nèi)外研究工作者的廣泛重視。從 80 年代開始，在此領域進行了大量的研究，在數(shù)值模型的建立、算法的實現(xiàn) 、計算效率的提高以及工程實用化階段均取得了很大的進步。 與凝固過程計算機模擬相比，充型過程計算機模擬的起步要晚得多，并非是人們沒有認識到它的必要性，而是這一問題比起溫度場的模擬更為復雜。充型是鑄造過程中重要的階段，液態(tài)金屬充型過程不平穩(wěn)和充填順序不合理以及充型時間過長會造成裹氣、冷隔和澆不足等缺陷。充型過程中液態(tài)金屬和型壁之間發(fā)生換熱形成非穩(wěn)態(tài)溫度場。因此，進行充型模擬一方面是通過模擬分析充型過程中液態(tài)金屬流動形態(tài)，預測上述缺陷，為澆注方式的修改提供依據(jù)；另一方面為后續(xù)的凝固模擬分析提供必要的初始溫度場。由于離心鑄造中一般采用金屬型鑄造方式，在充型過程中液態(tài)金屬和鑄型溫度變化較大，充型模擬分析顯得尤為重要。 離心鑄造過程數(shù)值模擬開展較晚。 1990 年， ， 和 對立式離心鑄造的金屬液流動與傳熱的數(shù)軋機油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過程的模擬 分析 14 學模型進行了研究。 芬蘭 Helsinki 理工大學的 Baosheng 在 1992－ 1994 年利用有限元格式模擬了鋁合金凝固過程粒度分布狀態(tài)。 1999 年 9 月在南斯拉夫的斯洛文尼亞舉行的鑄造過程計算機模擬第 4 次會議上 做了關于離心鑄造鑄鋼件計算機模擬的 報告。 離心鑄造作為一種高效的特種材料成形方法，在鑄造行業(yè)中占據(jù)著越來越重要的地位。利用數(shù)值模擬技術實現(xiàn)對離心鑄造生產(chǎn)過程的模擬，能夠擺脫離心鑄造目前基于經(jīng)驗、定性、不可知的窘態(tài)，進入科學、定量和可預知的新境界，能夠預測缺陷、優(yōu)化工藝、指導生產(chǎn)，實現(xiàn)對鑄件質(zhì)量進行有效地控制。本文根據(jù)離心鑄造生產(chǎn)的特點，利用數(shù)值模擬技術，成功地研制出了一套面向?qū)嶋H生產(chǎn)的離心鑄造生產(chǎn)過程 ProCast 軟件系統(tǒng)，并在實際生產(chǎn)中得以應用。國外的鑄件成型數(shù)值模擬軟件如 ProCast、 ZCast、Flow3D 等已經(jīng)能夠?qū)﹄x心鑄 件進行模擬分析。在國內(nèi)，目前關于離心鑄造充型、凝固方面的研究很少，較多的研究集中在重力場下的充型研究方面。有些資料中采用解析法分析了離心鑄造充型過程的一些現(xiàn)象，為從理論上分析離心鑄造的充型過程奠定了基礎。 巴氏合金的特點及合金澆注工藝 巴氏合金是具有減摩特性的 錫 基和 鉛 基 軸承 合金 。由 美國人 巴比特發(fā)明而得名。因其呈白色，又稱白合金。主要合金成分是錫、鉛、 銻 、 銅 。銻、銅，用以提高合金 強度和 硬度 。巴氏合金的組織特點是，在軟相基體上均勻分布著硬相質(zhì)點，軟相基體使合金具有非常好的嵌藏性、順應性和抗咬 合性，并在磨合后，軟基體內(nèi)凹，硬質(zhì)點外凸，使滑動面之間形成微小間隙，成為貯油空間和 潤滑油 通道，利于減摩；上凸的硬質(zhì)點起支承作用，有利于承載。巴氏合金除制造 滑動軸承 外，因其質(zhì)地軟、強度低，常將其絲或粉噴涂在鋼等基體上制成 軸瓦 使用。巴氏合金分錫基 (見錫合金 )和鉛基合金兩種。其成分及性能如表 12，表 13，表 14，為防止成分偏析和細化晶粒，還常加入少量的 砷 。鉛基合金的強度和硬度比錫基合金低，耐蝕性也差。 表 12巴氏合金成分表 合金牌號 Sb Sn Cu Fe Zn Bi As Al Pb 雜質(zhì)總和 ZChSnSb116 ～ 其余 ～ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ZChSnSb84 ～ 其余 ～ 第一章 引 言 15 表 13巴氏合金機械性能表 表 14巴氏合金物理性能表 油膜軸承是滑動軸承的一種，是一種主要零件的加 工精度、表面粗糙度以及各種關參數(shù) (包括潤滑油及載荷等 )的匹配都非常理想的滑動軸承。工作時在軸與軸承的工作區(qū)域形成一個完整的壓力油膜，使金屬脫離接觸，形成純液體摩擦。當今機器發(fā)展朝著大功率、重負荷，高速化發(fā)展，對機器的軸承性能要求也越來越高。油膜軸承因為其承載能力大，使用壽命長，能承受沖擊載荷等優(yōu)點得到了廣泛的應用。尤其在軋制機械、球磨機等上應用較為廣泛。在油膜軸承制作時，襯套足油膜軸承的關鍵零件．它主要是由兩層金屬組成，外層為普通碳鋼，內(nèi)層為巴氏合金，兩層的結(jié)合強度對軸承的使用壽命有較大影響，合理的選擇合金 層的澆注工藝至關重要。巴氏合金的澆注方法通常有離心鑄造法和重力鑄造法。離心澆注法的澆注質(zhì)量好，使用壽命長，但需配置 1臺離心澆注機及其他輔助設施，澆注成本較高，適用于批量較大且零件規(guī)格尺寸較小的軸承澆注。重力澆注法所用工具設備簡單，工藝技術容易掌握，澆注成本低，但澆注質(zhì)量較難控制，通常適用于單件小批量大型軸瓦的修復，是機修廠常用的澆注方法 。 巴氏合金的澆注工藝過程分為準備工作、鍍錫、熔化和澆注四個工序。其具體內(nèi)容是首先是去污，用噴燈，氧氣乙炔火焰或?qū)ｉT的加熱爐從軸瓦背部進行加熱，除去舊的巴氏合金。用鋼絲刷子 仔細清除軸瓦上已經(jīng)熔化的巴氏合金，除去污垢、銹蝕和巴氏合金痕跡。再將軸瓦放在 1015℅的鹽酸溶液內(nèi)約 510 分鐘，進行酸洗、除去銹蝕。再置于 70100℃ 的熱水中除去剩余的酸。軸瓦經(jīng)酸洗后，再置于 7090℃ 的含 10℅苛性鈉溶液內(nèi)煮 510 分鐘。然后置 70100℃ 的熱水中洗去剩余的堿。堿洗后，禁止用手觸摸軸軋機油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過程的模擬 分析 16 瓦內(nèi)表面。有時由于軸瓦在除去舊合金停放的時間較長，表面已產(chǎn)生氧化層，在掛錫底之前，應再用稀酸溶液（ 15℅硫酸或 50℅鹽酸）進行 23 分鐘 的弱腐蝕后立即放入堿 溶液內(nèi) 12 分鐘，然后再用熱水清洗。接著鍍 錫，錫與軸瓦的粘合力比巴氏合金為好，鍍錫后可使巴氏合金掛得牢些。鍍錫所用的鍍料是錫或錫合金（錫鉛合金和錫鋁鋅合金）。另外再用硫酸、鹽酸、氯化銨、氯化鋅鍍劑，鍍劑的作用是去除表面氧化物及油脂，便于使錫貼合牢固。鍍錫的方法有涂擦法和浸錫法。軸瓦掛錫后內(nèi)表面要均勻，厚薄為 表面光潔呈銀色，不許漏掛。掛過錫的軸瓦應及時澆注合金，不應超過 2030分鐘，以免表面再形成氧化膜。在軸瓦上澆注合金層，通常以手工澆注或離心澆注的方法進行。離心澆注是在特制的離心澆注機上進行的，適合于成批生產(chǎn)。離心澆注法速度快， 質(zhì)量好。 論文主要研究內(nèi)容與目標 本文以軋機油膜軸承為對象，對其鑄造工藝進行數(shù)值模擬。通過學習 Pro/E軟件，建立軋機油膜軸承的模型并導入 ProCAST軟件，對模型進行離心澆注的前處理設置并對其充型凝固過程進行模擬。 通過模擬對鑄件可能造成的 氣孔、冷隔、裂紋、澆不足等 缺陷進行預測，為工藝優(yōu)化提供參考， 目的是給實踐提供指導，節(jié)約新產(chǎn)品試制成本 。 本論文具體研究內(nèi)容如下： （ 1）首先分析了軋機油膜軸承的發(fā)展現(xiàn)狀，應用巴氏合金作為襯套材料，并采用離心鑄造獲得油膜軸承。 （ 2）了解離心鑄造工藝特點以及建立相關 的數(shù)學模型，熟悉立式和臥式離心鑄造自由表面的形狀及轉(zhuǎn)速的選擇依據(jù)。 （ 3）介紹離心鑄造過程模擬的相關理論基礎以及模擬離心鑄造過程所用到的工具或軟件。 （ 4） 采用 ProCAST 軟件模擬 軋機油膜軸承巴氏合金的離心 澆 鑄 過程 ，通過建立三維模型，進行網(wǎng)格劃分和各項參數(shù)的設置得到軋機油膜軸承巴氏合金的離心澆鑄的 相關過程 ，包括充型過程和凝固與冷卻過程，并對某些部位的縮孔縮松進行頂報和分析。 第二章 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 17 第二章 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 19 世紀中后期，隨著世界工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，離心鑄造技術逐步得到推廣和應用。上世紀 20 年代，俄國 、加拿大和德國相繼出現(xiàn)離心鑄造車間，形成了一定規(guī)模的生產(chǎn)。40 年代后，有人曾將離心鑄造一些方法進行分類和定義為以下 2 種形式 : 圖 21臥式離心鑄造 圖 22立式離心鑄造 (1)臥式離心鑄造：鑄型繞其水平軸旋轉(zhuǎn)，中間不采用型芯，形成的鑄件內(nèi)表面為自由表面，如圖 21 所示。 (2)立式離心鑄造：中間帶有型芯的鑄型繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，依靠合適的澆道來獲得鑄件的順序凝固，如 22 所示。 立式離心鑄造和臥式離心鑄造實際上就是將離心 力場引入金屬液的充型凝固過程中。在鑄造中，一般靠近鑄型內(nèi)壁和外壁的金屬先凝固。但是，由于離心力的作用加劇了鑄型內(nèi)金屬的運動。先析出的固相晶體密度大于液體密度，導致在內(nèi)壁邊緣先凝固的晶體移至外壁，造成凝固由外向內(nèi)順序進行。金屬液的運動也有助于樹枝狀晶的破碎和細化。在離心補縮壓力作用下，金屬液體也能克服晶粒間 “隧道 ”的阻力進行補縮，提高鑄件密度。 鑄型轉(zhuǎn)速的選擇方法 鑄型轉(zhuǎn)速是離心鑄造時需考慮的重要工藝因素。不同的鑄件，不同的鑄造工藝，鑄件成形時的鑄型轉(zhuǎn)速不一樣。過低的鑄型轉(zhuǎn)速會使立式離心鑄造時金屬液充型 不良，臥式離心鑄造時出現(xiàn)金屬液雨琳現(xiàn)象，也會使鑄件內(nèi)出現(xiàn)縮松、火渣、鑄件內(nèi)表面凹凸不平等缺陷 。鑄型轉(zhuǎn)速太高，鑄件上易出現(xiàn)裂紋、偏析等缺陷，砂型離心鑄件外表面會形成脹箱等缺陷。太高的鑄型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。鑄型轉(zhuǎn)速的選擇主要應考慮如下二方面的問題 :保證液體金屬進入鑄型后，能迅速充滿成型 。保證獲得良好的鑄件內(nèi)部質(zhì)量，避免出現(xiàn)縮孔、縮松、火雜和氣孔等 。防止產(chǎn)生偏析、裂紋等軋機油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過程的模擬 分析 18 缺陷。 立式離心鑄造自由表面形狀及轉(zhuǎn) 速選擇依據(jù) 在重力鑄造中，鑄件是靠冒口的重力和體積來補縮，形成鑄件自下而上的順序凝固。立式離心鑄造主要依靠離心的作用，將澆道中的金屬液從旋轉(zhuǎn)中心甩向鑄件外緣進行補縮。一般它就不需設置專門冒口，所以鑄件有較高的工藝成品率，能大幅度節(jié)約金屬，降低成本。 由水力學中的歐拉公式可知，當液體質(zhì)點受力的作用，在等壓面上作微小位移時，應滿足下述條件 : 0Xdx Ydy Zdz? ? ? (21) 式中 X、 Y、 Z分別為質(zhì)點在 x, y, z 軸方向上所受的 力 ； dx、 dy、 dz分別為質(zhì)點在x, y, z 軸方向上微小位移的投影。 如圖 23所示，其中， 2X m x?? ， Y mg? ， m 為該質(zhì)點的質(zhì)量， g為本地重力加速度，ω轉(zhuǎn)角速度矢量。由于自由表面是一回轉(zhuǎn)面，故可不考慮 z 方向的作用力。將 X 及Y 值代入上式中，得 : 2 0m xdx mgdy? ?? (22) 移項積分后，則得如下方程式 : 2 22yxg?? (23) 式 (23)為拋物線方程式，拋物線頂點為坐標軸原點。因此，可以推論，在立式離心鑄造的旋轉(zhuǎn)鑄型中，液體金屬的自由表面是一個繞垂直旋轉(zhuǎn)軸 Y的回轉(zhuǎn)拋物面。 由于自由表面是一回轉(zhuǎn)拋物面，所以凝固后鑄件沿著高度存在著壁厚差 .其上部在 y=y1處，壁厚較薄 。而在下部 y=y2， ， 壁厚較厚。利用式 (23)可推算沿著鑄件高度上的壁厚差，即 K=x1x2,參見圖 （ 23)。 在自由表面上 ()和 ()兩點，應滿足方程式的條件，即 2 2112yxg?? (24) 2 2222yxg?? (25) 將式 (24)減去 (25)，得 2 221 2 1 2()2h y y x xg?? ? ? ? (26) 第二章 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 19 經(jīng)運算后得壁厚差為 : 21 2 1 1 22ghK x x x x ?? ? ? ? ? (27) 如將 m s???及 30n??? 代入式中，則得 211 2100hK x xn? ? ? ?????? (28) 式中 n—— 鑄型的轉(zhuǎn)速 ( 1minr ?? )； h 一一鑄件的高度 (m) 由式 (28)可見，當鑄型轉(zhuǎn) 速不變時，鑄件越